专利名称：点源目标相关哈特曼-夏克波前斜率处理器及制造方法
技术领域：
本发明涉及基于哈特曼-夏克波前传感器的点源目标自适应光学高速波前处理 系统，是一种低成本、易扩展的、特别适用于大规模点源目标自适应光学实时波前探测的相 关哈特曼-夏克波前斜率处理器。
背景技术：
相关哈特曼-夏克波前传感技术最早应用于太阳自适应光学系统中，它以太阳表 面米粒结构为参考信标，采用相关处理方法计算参考子孔径图像与其他子孔径图像的相对 偏移量，从而得到各个子孔径的局部波前斜率，为波前校正提供控制信号。近年来，相关哈 特曼-夏克波前传感方法，因其对光斑形状大小变化以及背景噪声不敏感，而逐渐应用于 传统的点光源自适应光学系统中，如激光光束质量诊断等领域。互相关运算是相关哈特 曼-夏克波前传感技术的关键，可以在频域通过快速傅里叶变换进行或者在图像域直接实 现，其数学公式表示为
权利要求
点源目标相关哈特曼 夏克波前处理器，其特征在于所述处理器是在单片FPGA内由图像缓存模块(1)、列卷积模块(2)、行卷积模块(3)、邻域像素窗口模块(4)、像素坐标计数器(5)、多通道相关值寻优模块(6)和插值模块(7)构成，其中图像缓存模块(1)的输入端接收对哈特曼夏克图像数据，并对哈特曼夏克图像数据进行串并转换，并逐列输出与参考模板大小相同的图像并行数据；列卷积模块(2)的并行数据输入端与图像缓存模块(1)的输出端连接，用于对图像缓存器模块(1)输出的并行数据与对应参考模板数据相乘并求和，并输出列卷积结果；行卷积模块(3)的输入端与列卷积模块(2)的输出端连接，行卷积模块(3)，用于对列卷积结果进行以参考模板值作为有限冲击响应(FIR)滤波器抽头系数的滤波，并输出行卷积结果；邻域像素窗口模块(4)的输入端与行卷积模块(3)的输出端连接，邻域像素窗口模块(4)，用于对行卷积结果进行延时，形成3×3相关值窗口，并将该窗口输出；像素坐标计数器(5)的输入端接收同步时钟信号，用于对同步时钟信号进行计数，并输出像素的坐标信息；多通道相关值寻优模块(6)的输入端分别与邻域像素窗口模块(4)的输出端和像素坐标计数器(5)的输出端连接，多通道相关值寻优模块(6)，用于根据像素坐标计数器(5)提供的坐标信息以及邻域像素窗口模块(4)提供的窗口数据，完成各个子孔径内相关函数值最大值的寻优，并输出各个子孔径的最大值及其邻域值和最大值对应的坐标信息；插值模块(7)的输入端与多通道相关值寻优模块(6)的输出端连接，插值模块(7)，用于对多通道相关值寻优模块(6)得到的最大值位置进行插值，得到各个子孔径波前斜率。
2.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼_夏克波前处理器，其特征在于所述 的图像缓存模块(1)由移位寄存器组构成，所述各行移位寄存器组首尾相接，移位寄存器 组输入端与哈特曼_夏克波前传感器的数据输入端连接，并将串行输入数据转换，并且移 位寄存器组输出并行数据，用于实现对哈特曼-夏克波前传感器图像的延时；所述该移位 寄存器组的深度取决于图像一行的像素个数，为N-1，而级联的移位寄存器组的个数取决于 所用参考模板的大小，为M-1，其中图像大小为NXN，子孔径参考模板大小为MXM，M和N = 1，2，3......ο
3.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼_夏克波前处理器，其特征在于所述 的列卷积模块(2)由M个乘法器和一组加法器构成，第一个乘法器的一个输入端接收第一 个模板系数信息，第一个乘法器的另一个输入端与图像缓存模块(1)的第一个输出端连 接，第二个乘法器的一个输入端接收第二个模板系数信息，第二个乘法器的另一个输入端 与图像缓存模块(1)的第二个输出端连接，依次类推，第M个乘法器的一个输入端接收第M 个模板系数信息，第M个乘法器的另一个输入端与图像缓存模块(1)的第M个输出端连接； 一组加法器由多个加法器级联而成，并行流水地完成所有乘法器输出的两两求和。
4.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼-夏克波前处理器，其特征在于所述 的行卷积模块(3)采用直接型有限冲击响应滤波器结构，所述有限冲击响应滤波器结构是 由M-I个寄存器、M个乘法器和加法器组构成，行卷积模块(3)输入端与列卷积模块(2)的 输出端连接，完成对输入数据的延时；而M个乘法器的一端与各个延时数据连接，M个乘法 器的另一端接入模板系数信息，所有乘法器的输出端与加法器组的输入端连接，对所有乘法器输出的乘积结果并行流水地进行两两求和；所述的行卷积模块(3)还可采用转置型有 限冲击响应滤波器结构。
5.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼-夏克波前处理器，其特征在于所述 的邻域像素窗口模块(4)由移位寄存器组和3X3个寄存器组构成；对各行寄存器组的寄存 器进行首尾相接，实现对行卷积模块(3)输出数据的延时，并最终将串行输入数据转换并 输出为并行数据，该移位寄存器组的深度取决于有效相关图像值一行的像素个数为N-M+1， 而级联的移位寄存器组的个数为2 ；该移位寄存器组的3个并行输出与3X3个寄存器组的 三个输入端连接，三个输入端的每个输入端都通过3个寄存器的延时作用形成3 X 3的像素 窗口，其中寄存器REGO存储当前相关函数值，寄存器REGl、寄存器REG2、寄存器REG3、寄存 器REG4分别存储其上、左、右和下四个方向的邻域相关函数值。
6.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼-夏克波前处理器，其特征在于所述 的像素坐标计数器(5)由两个计数器构成，两个计数器的输入端与时钟同步信号连接，完 成哈特曼-夏克图像数据坐标的计算并输出像素坐标位置信息，两个计数器的输出端与多 通道寻优模块(6)的一个输入端连接。
7.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼_夏克波前处理器，其特征在于所述 的多通道寻优模块(6)由一个比较器、数据分配器组、选择器组以及多个寻优通道构成，寻 优通道的数目与一个子孔径行内的子孔径个数相同，所有寻优通道都具有相同的结构；比 较器的第一个输入端口与邻域像素窗口模块(4)的寄存器REGO连接，比较器的另一个输入 端口与选择器组的输出端连接，用来比较当前相关函数值与锁存的相关函数的大小，比较 器的输出端与数据分配器组连接；数据分配器组的一组选择端与像素坐标计数器(5)的输 出端连接，根据像素坐标位置确定当前结果所在的子孔径区域，从而确定选择哪个寻优通 道进行处理，数据分配器的输入端分别与像素坐标计数器(5)的输出端、邻域像素窗口模 块⑷的输出端和比较器的输出端连接，邻域像素窗口模块⑷的输出端分别于多个寻优 通道的输入端连接；选择器组的输入端分别与各个寻优通道的输出端连接，并根据像素坐 标位置信息，把同一个子孔径的相关函数值输入到同一寻优通道中进行处理。
8.根据权利要求7所述的点源目标相关哈特曼_夏克波前处理器，其特征在于所述 的多通道寻优模块(6)的寻优通道由一个邻域值锁存器和一个坐标锁存器构成，其锁存使 能端通过数据分配器与比较器的输出端连接，邻域值锁存器通过数据分配器与邻域像素窗 口模块⑷的寄存器REG0、寄存器REG1、寄存器REG2、寄存器REG3和寄存器REG4连接，完 成邻域相关函数值的锁存，而坐标锁存器通过数据分配器与像素坐标计数器(5)的输出端 连接，完成坐标位置的锁存；邻域值锁存器和坐标锁存器的输出通过数据选择器完成相关 函数值及其对应坐标值的输出及反馈，如果存储于寄存器REGO当前输入的相关函数值大 于锁存的相关函数值，则锁存使能有效，把寄存器REGO所存储的当前相关函数值及其四个 邻域相关函数值一起锁存到邻域值锁存器，把当前坐标信息锁存到坐标值锁存器，否则保 持不变，直到一个子孔径的所有相关函数值输入完毕就得到了该子孔径中的相关函数最大 值及其对应的坐标位置和邻域相关函数值。
9.根据权利要求1所述的点源目标相关哈特曼_夏克波前处理器，其特征在于所述 的二次插值模块(7)由χ和y两个方向的插值单元构成，分别完成χ和y方向上的波前斜 率计算，插值单元的输入端与多通道寻优模块(6)的输出连接；每个插值单元都有一个除法模块和一个加法器构成，根据公式
10. 一种点源目标相关哈特曼-夏克波前处理器的制造方法，其特征在于所述方法的 步骤包括步骤Sl 用高斯函数产生的理想高斯光斑作为参考模板，高斯函数的数学表达式为
全文摘要
本发明一种点源目标相关哈特曼-夏克波前斜率处理器及制造方法包括图像缓存模块，列卷积模块，行卷积模块，邻域像素窗口模块，像素坐标计数器，多通道相关值寻优模块和插值模块，列卷积模块的并行数据输入端与图像缓存模块的输出端连接，行卷积模块的输入端与列卷积模块的输出端连接，邻域像素窗口模块的输入端与行卷积模块的输出端连接，多通道相关值寻优模块的输入端分别与邻域像素窗口模块的输出端和像素坐标计数器的输出端连接，插值模块的输入端与多通道相关值寻优模块的输出端连接。本发明适用于基于哈特曼-夏克波前传感器点源目标自适应光学系统的实时波前探测。
文档编号G01M11/00GK101949768SQ20101026066
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者李敏, 樊志华, 王春鸿, 饶长辉, 马晓燠 申请人:中国科学院光电技术研究所