基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

　　1　引　言

　　自适应光学系统的规模(波前探测器子孔径数量和波前校正器单元数量)主要由大气相干长度r0确定,当波前探测器的子孔径大小和波前校正器的单元大小与r0相当时,才能较好地补偿大气扰动引起的波前相位畸变。为了以接近衍射极限的分辨率成像,可以估算系统规模大致为N=(D/r0)2,式中D为望远镜口径。如对于4 m望远镜,当r0为15 cm时,其系统规模为710;当r0为10 cm时,系统规模约为1 600;若进行4 m级望远镜的设计,初步计算自适应光学系统的规模需要达到1000单元左右。同时由于空间目标成像探测对自适应光学系统闭环控制带宽的要求高于天文观测,大型望远镜的采样频率需要达到1000 Hz以上。才能保证波前校正控制带宽为100~200 Hz,倾斜校正控制带宽为50~100 Hz[1]。

　　国外最早开始基于FPGA的自适应光学系统波前处理研究的是英国达拉谟大学,当时只是研究了一套仿真系统[2-4]。文献[5-7]介绍了在2005~2007年欧洲南方天文台与英国达拉谟大学联合设计的基于FPGA的自适应光学系统实时处理控制平台,该平台实现了波前处理的可扩展性,其采用光纤通讯进行子板之间的数据传输,由多个子板进行波前联合处理,加快处理速度,增强处理能力。国内的自适应光学研究起始于20世纪70年代,并在2001年研制出61单元自适应光学系统[8]。该系统波前处理采用多DSP方案,全系统采用17块DSP,其中8块DSP负责子孔径斜率计算,4块DSP负责波前校正运算,5块DSP用于并行系统控制运算。为满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理的需求,本文提出了一种实时采样处理频率为2000 frame/s,输出较正量为1 200路的可扩展自适应波前处理系统。

　　2　基于FPGA的自适应光学系统波前处理机的工作原理

　　2.1　基于FPGA自适应光学系统波前处理机的硬件构成

　　图1为基于FPGA自适应波前处理系统结构框图。它主要由主控计算机、波前处理主板和波前处理子板3部分组成。主控计算机与波前处理主板通过PXI总线进行通信,波前处理主板与可扩展的波前处理子板通过自定义的板间总线进行通信。主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板通过PXI连接器插在PXI工控机箱的背板上。整个系统置于6U的PXI工控机箱中,提高了系统的集成度。

　　主控计算机主要完成过程监控、波前标定、配置和标定数据的下载等功能;波前处理主板主要完成波前图像的采集,通过PXI总线上传图像给主控计算机,接收主控计算机的配置和标定数据,配置和标定数据分发到各波前处理子板,波前图像的预处理,波前子孔径斜率计算和通过自定义板间总线将子孔径斜率数据同时打包发送到各波前处理子板等功能;波前处理子板主要完成波前拟合、控制运算、D/A转换和促动器所需促动量输等的功能。