专利名称：基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率获取方法及处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及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、适 用于超大规模自适应光学系统实时波前探测的波前斜率处理器。
背景技术：
哈特曼-夏克传感器是目前应用最广泛的波前传感器，通常由微透镜阵列与 CCD(电荷耦合元件)相机组成，阵列微透镜对波前进行分割采样，在电荷耦合元件的靶面 上形成一个光斑阵列。当入射光束有波前畸变时，子孔径范围内的局部波前倾斜将会造成 光斑的发生漂移，测量光斑中心在两个方向上的漂移量就可以求出各个子孔径范围内的波 前在两个方向上的平均斜率。灰度重心法常常用来确定子孔径光斑的中心位置，从而计算 出局部波前斜率，提供给波前校正器以实现波前畸变的校正或者波前复原装置进行波前检 测。灰度重心法的常规实现方式需要乘法器完成坐标与灰度权值的乘法运算，而目前 基于FPGA的波前处理机都是采用乘法器与累加器相结合的方式完成子孔径光斑灰度重心 的计算，例如中科院光电所研制的61单元高速波前处理机，采用三个乘法器和三个累加器 构造一个处理通道，求得子孔径斜率计算所需的三个低阶图像矩，通道数量与一个子孔径 行所包含的子孔径数目相同[周璐春，王春鸿，等.基于FPGA技术的波前斜率处理方法 [J].光电工程，2002，29 (3) :28-31.]。然而，为了获得更好的波前探测效果，自适应光学 系统中的CCD相机分辨率越来越高，哈特曼_夏克传感器子孔径数目也越来越多，例如美 国的Keck AdaptiveOptics的哈特曼-夏克波前传感器的子孔径排布为20X20[Marcos A. vanDam, et al. Performance of the Keck Observatory adaptive-opticssystem[J], 2004，APPLIED OPTICS 43(29) :5458_5467.]，而为 ELTs (Extremely Large Telescopes) 的自适应光学波前校正研制的探测器甚至能够支持50X50到200X200个子孔径 [L.F.Rodriguez Ramos, et al. FPGA-based slope computation for ELTs adaptive optics wavefrontsensors [J]. SPIE, 2008, 7015 (701530) :1_11.]。这要求波前处理器增加 相应数目的处理通道。专用乘法器作为高档FPGA片内的稀缺资源，数量很少，而构造乘法 器也需要占用大量的逻辑资源，因此对于超大规模自适应光学系统的波前斜率处理，上述 的基于乘法器的波前斜率处理构架需要占用的逻辑资源巨大，甚至无法在单片FPGA内实 现。

发明内容
为了解决的现有技术针对在哈特曼_夏克传感器子孔径数目越来越多的的情况 下，现有的基于乘法器的波前斜率处理器占用的资源过多的问题，本发明的目的是提出了 一种基于累加器的波前斜率处理装置。本发明基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，该处理器解决技术问题的技术 方案是由多个处理通道和一个除法模块组成，每个处理通道之间为并联连接，每个处理通道的两个输入端分别与外部的电荷耦合元件的时钟信号端和电荷耦合元件的图像数据端 并行连接，每个处理通道的输出端分别通过数据线与除法模块的输入端连接，除法模块的 输出端输出图像每个子孔径光斑的质心位置；所述处理通道的数量与一个子孔径行内子孔 径个数相同，用于对所有光斑并行处理。本发明利用基于累加器的自适应光学波前斜率处理器的自适应光学波前斜率的 获取方法，该方法解决技术问题的技术方案是步骤Sl 电荷耦合元件的数据通过数据总线同时流入各个通道，每个通道内的协 处理器根据电荷耦合元件的像素的空间位置产生控制信号，使得所述通道内的第零累加器 至第四累加器只对所述通道所对应的子孔径像素进行处理；步骤S2 根据所述子孔径图像的大小为MXN，对每行数据的零阶矩通过递推的方 式计算Mi0(J) = Mi0(J-I)+Si (N_J+1)式中M表示子孔径的行数，N表示子孔径的列数，Mi0表示第i行数据的零阶矩， Si(N_J+1)表示电荷耦合元件的数据，j表示在子孔径中像素的列坐标，i表示行坐标，第零累 加器用来计算每行的零阶矩，而一阶矩Mil也通过递推方式计算Mil(J) = Mil(J-I)+Mi0(J)式中的初值为零；每一个新电荷耦合元件的数据Si0^+1)到来，通过累加得到第i 行数据的零阶矩Mitl (j)，同时对第i行数据的零阶矩Mitl (j)进行累加得到一阶矩Mil (j)，实 现对应数据与坐标的乘积运算；当一行数据输入完成，就得到所述每行数据的一维零阶矩 Mi0和一维一阶矩Mil ；这个一维一阶矩是通过第一累加器按照电荷耦合元件的时钟节拍，在 控制信号的控制下对第零累加器的数据进行累加得到；步骤S3 对第零累加器所累加的零阶矩在每行结束时在第二累加器中进行累加， 当所述子孔径所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所 需的零阶矩Hlotl;步骤S4 对第二累加器的结果在每行结束时通过第四累加器进行累加，当所述子 孔径所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所需的二维 一阶矩Hl01 ；步骤S5 对第一累加器的结果再每行结束时通过第三累加器进行累加，当所述子 孔径所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所需的二维 一阶矩Hl10 ；步骤S6 根据质心运算公式
Γ π γ _ fflQi γ _ mioAc --,rC--
mOOmOO式中Xc和Yc是质心位置，i和j是每个像素的坐标，而Hltltl, Hl10和Hltll分别是图像 的零阶矩和两个方向上的一阶矩，利用除法模块计算出所述子孔径的质心位置为子孔径在 两个方向上的波前斜率。本发明具有以下优点针对资源有限的问题，本发明用累加器代替了乘法器，构成质心运算的基本单元， 完成子孔径内光斑质心计算所需的低阶矩的运算，减少了逻辑资源的使用，同时保持很小的处理延迟时间，适用于大规模自适应光学系统的波前斜率实时处理。采用流水线技术和 并行技术提高了处理器的工作频率，便于系统的小型化；多通道设计便于系统的升级扩展； 因此本发明能够以更低的成本实现相同子孔径布局的波前斜率探测。


图1是二维低阶矩计算的可分解示意图；图2是哈特曼_夏克波前传感器的图像；图3是本发明提出的基于累加器的波前斜率处理器的结构框图；图4是单个处理通道进行低阶矩运算的Moldsim仿真时序图；图5是本发明的装置对哈特曼-夏克波前传感器的图像计算所有子孔径波前斜率 的moldsim仿真图；图6是传统的方法得到的子孔径光斑质心偏移图像；图7是本发明所得到的子孔径光斑质心偏移图像；图8是本发明基于累加器的自适应光学波前斜率处理器的自适应光学波前斜率 的获取方法；图9是第零累加器AccO的结构示意图；图10是第一累加器Accl的结构示意图；图11是第二累加器Acc2的结构示意图；图12是第三累加器Acc3的结构示意图；图13是第四累加器Acc4的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。为了避免乘法器的使用，减少资源消耗，并是实现低资源消耗的高速波前斜率处 理，对灰度重心法的低阶矩运算部分作出了以下改进1) 二维低阶矩计算的可分解性灰度重心法所需低阶矩的数学表达式为
权利要求
基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于由多个处理通道和一个除法模块组成，每个处理通道之间为并联连接，每个处理通道的两个输入端分别与外部的电荷耦合元件的时钟信号端和电荷耦合元件的图像数据端并行连接，每个处理通道的输出端分别通过数据线与除法模块的输入端连接，除法模块的输出端输出图像每个子孔径光斑的质心位置；所述处理通道的数量与一个子孔径行内子孔径个数相同，用于对所有光斑并行处理。
2.根据权利要求1所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述每个处理通道由一个协处理器和第零累加器至第四累加器构成，协处理器的输入端与电 荷耦合元件的时钟信号端连接，协处理器根据电荷耦合元件的时钟信号生成第零累加器至 第四累加器的使能信号和复位信号，协处理器的输出端分别与第零累加器至第四累加器的 输入端连接，第零累加器的输入端还与电荷耦合元件的图像数据端连接，第零累加器的输 出端分别与第一累加器和第二累加器的输入端连接，第三累加器和第四累加器的输入端分 别与第一累加器和第二累加器的输出端连接，实现对所述累加器的控制，协处理器控制电 荷耦合元件的图像数据流水地进入所述累加器，使得第二累加器、第三累加器和第四累加 器输出每个子孔径光斑的质心计算所需的低阶矩Hltltl, Hl10和Hltllt5
3.根据权利要求2所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述的第零累加器是由一个第零加法器和一个带使能端和复位端的第零寄存器构成，第零加 法器的一个输入端与电荷耦合元件的图像数据连接，第零加法器的另一个输入端与第零寄 存器的输出端连接，第零寄存器使能信号端和复位信号端分别与协处理器的使能输出端和 复位输出端连接，第零加法器在使能信号的控制下，在一个子孔径内对一行图像数据进行 累加，当子孔径内的一行数据输出完毕，第零加法器内累加得到所述行图像数据的一维零 阶矩值，在下一行第一个数据输入前通过复位信号对第零加法器复位，为下一行数据做准 备。
4.根据权利要求2所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述的第一累加器由一个第一加法器和一个带使能端和复位端的第一寄存器构成，第零累加 器的输出端与第一加法器的一个输入端连接，第一加法器的另一个输入端与第一寄存器的 输出端连接，第一寄存器的使能信号端和复位信号端分别与协处理器的使能输出端和复位 输出端连接，第一累加器的输出端与第三累加器的输入端连接。
5.根据权利要求2所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述的第二累加器由一个第二加法器和一个带使能端和复位端的第二寄存器构成，第零累加 器的输出端与第二加法器的一个输入端连接，第二加法器的另一个输入端与第二寄存器的 输出端连接，第二寄存器的使能信号端与复位信号端分别与协处理器的使能输出端和复位 输出端连接，第二累加器的输出端与第四累加器的输入端连接，第二累加器的输出端输出 零阶矩HW
6.根据权利要求2所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述的第三累加器由一个第三加法器和一个带使能端和复位端的第三寄存器构成，第一累加 器的输出端与第三加法器的一个输入端连接，第三加法器的另一个输入端与第三寄存器的 输出端连接，第三寄存器的使能信号端与复位信号端分别与协处理器的使能输出端和复位 输出端连接，第三累加器的输出端输出一阶矩m1Q。
7.根据权利要求2所述的基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所 述的第四累加器是由一个第四加法器和一个带使能端和复位端的第四寄存器构成，第二累 加器的输出端与第四加法器的一个输入端连接，第四加法器的另一个输入端与第四寄存器 的输出端连接，第四寄存器的使能信号端与复位信号端分别与协处理器的使能输出端和复 位出端连接，第二累加器的输出端与第四累加器的输入端连接，第四累加器的输出端输出 一阶矩m01。
8.根据权利要求1基于累加器的自适应光学波前斜率处理器，其特征在于所述的除 法模块由两个除法器构成，分别完成X和Y方向上的波前斜率计算。
9.一种利用权利要求1基于累加器的自适应光学波前斜率处理器的自适应光学波前 斜率的获取方法，其特征在于所述方法的包括步骤如下步骤Sl 电荷耦合元件的数据通过数据总线同时流入各个通道，每个通道内的协处理 器根据电荷耦合元件的像素的空间位置产生控制信号，使得所述通道内的第零累加器至第 四累加器只对所述通道所对应的子孔径像素进行处理；步骤S2 根据所述子孔径图像的大小为MXN，对每行数据的零阶矩通过递推的方式计算Mi0(J) =Mi0(j-l)+Si(N_J+1)式中M表示子孔径的行数，N表示子孔径的列数，Mi0表示第i行数据的零阶矩，Si(N_J+1) 表示电荷耦合元件的数据，j表示在子孔径中像素的列坐标，i表示行坐标，第零累加器用 来计算每行的零阶矩，而一阶矩Mil也通过递推方式计算Mil (j) =Mil(J-I)+Mi0(J)式中的初值为零；每一个新电荷耦合元件的数据Si0^+1)到来，通过累加得到第i行数 据的零阶矩Mitl (j)，同时对第i行数据的零阶矩Mitl (j)进行累加得到一阶矩Mil (j)，实现对 应数据与坐标的乘积运算；当一行数据输入完成，就得到所述每行数据的一维零阶矩Mitl和 一维一阶矩Mil ；这个一维一阶矩是通过第一累加器按照电荷耦合元件的时钟节拍，在控制 信号的控制下对第零累加器的数据进行累加得到；步骤S3 对第零累加器所累加的零阶矩在每行结束时在第二累加器中进行累加，当所 述子孔径所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所需的 零阶矩Hiotl ；步骤S4 对第二累加器的结果在每行结束时通过第四累加器进行累加，当所述子孔径 所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所需的二维一阶 矩1% ；步骤S5 对第一累加器的结果再每行结束时通过第三累加器进行累加，当所述子孔径 所有像素输入到第零累加器，完成该行的累加计算，就能计算出质心运算所需的二维一阶矩 m10 ；步骤S6 根据质心运算公式_ W01m10_ '1C _ mOOmOO式中Xc和\是质心位置，i和j是每个像素的坐标，而nw m10和mQ1分别是图像的零 阶矩和两个方向上的一阶矩，利用除法模块计算出所述子孔径的质心位置为子孔径在两个方向上的波前斜率。
全文摘要
本发明是一种基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率获取方法及处理器，处理器由多个通道和一个除法模块Div组成，通道数量和一个子孔径行内子孔径个数相同。每个通道由一个协处理器和五个累加器Acc0至Acc4构成。方法包括把质心运算所需的二维图像矩分解为两个级联的一维矩，然后利用递推累加的的方法完成坐标与像素的乘积计算功能，有效地避免了乘法运算。
文档编号G01J9/00GK101950250SQ201010298588
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者姜文汉, 樊志华, 王春鸿, 马晓燠 申请人:中国科学院光电技术研究所