專利名稱：點源目標相關哈特曼-夏克波前斜率處理器及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于哈特曼-夏克波前傳感器的點源目標自適應光學高速波前處理 系統(tǒng)，是一種低成本、易擴展的、特別適用于大規(guī)模點源目標自適應光學實時波前探測的相 關哈特曼-夏克波前斜率處理器。
背景技術：
相關哈特曼-夏克波前傳感技術最早應用于太陽自適應光學系統(tǒng)中，它以太陽表 面米粒結構為參考信標，采用相關處理方法計算參考子孔徑圖像與其他子孔徑圖像的相對 偏移量，從而得到各個子孔徑的局部波前斜率，為波前校正提供控制信號。近年來，相關哈 特曼-夏克波前傳感方法，因其對光斑形狀大小變化以及背景噪聲不敏感，而逐漸應用于 傳統(tǒng)的點光源自適應光學系統(tǒng)中，如激光光束質量診斷等領域?；ハ嚓P運算是相關哈特 曼-夏克波前傳感技術的關鍵，可以在頻域通過快速傅里葉變換進行或者在圖像域直接實 現(xiàn)，其數(shù)學公式表示為
權利要求
點源目標相關哈特曼 夏克波前處理器，其特征在于所述處理器是在單片F(xiàn)PGA內由圖像緩存模塊(1)、列卷積模塊(2)、行卷積模塊(3)、鄰域像素窗口模塊(4)、像素坐標計數(shù)器(5)、多通道相關值尋優(yōu)模塊(6)和插值模塊(7)構成，其中圖像緩存模塊(1)的輸入端接收對哈特曼夏克圖像數(shù)據(jù)，并對哈特曼夏克圖像數(shù)據(jù)進行串并轉換，并逐列輸出與參考模板大小相同的圖像并行數(shù)據(jù)；列卷積模塊(2)的并行數(shù)據(jù)輸入端與圖像緩存模塊(1)的輸出端連接，用于對圖像緩存器模塊(1)輸出的并行數(shù)據(jù)與對應參考模板數(shù)據(jù)相乘并求和，并輸出列卷積結果；行卷積模塊(3)的輸入端與列卷積模塊(2)的輸出端連接，行卷積模塊(3)，用于對列卷積結果進行以參考模板值作為有限沖擊響應(FIR)濾波器抽頭系數(shù)的濾波，并輸出行卷積結果；鄰域像素窗口模塊(4)的輸入端與行卷積模塊(3)的輸出端連接，鄰域像素窗口模塊(4)，用于對行卷積結果進行延時，形成3×3相關值窗口，并將該窗口輸出；像素坐標計數(shù)器(5)的輸入端接收同步時鐘信號，用于對同步時鐘信號進行計數(shù)，并輸出像素的坐標信息；多通道相關值尋優(yōu)模塊(6)的輸入端分別與鄰域像素窗口模塊(4)的輸出端和像素坐標計數(shù)器(5)的輸出端連接，多通道相關值尋優(yōu)模塊(6)，用于根據(jù)像素坐標計數(shù)器(5)提供的坐標信息以及鄰域像素窗口模塊(4)提供的窗口數(shù)據(jù)，完成各個子孔徑內相關函數(shù)值最大值的尋優(yōu)，并輸出各個子孔徑的最大值及其鄰域值和最大值對應的坐標信息；插值模塊(7)的輸入端與多通道相關值尋優(yōu)模塊(6)的輸出端連接，插值模塊(7)，用于對多通道相關值尋優(yōu)模塊(6)得到的最大值位置進行插值，得到各個子孔徑波前斜率。
2.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼_夏克波前處理器，其特征在于所述 的圖像緩存模塊(1)由移位寄存器組構成，所述各行移位寄存器組首尾相接，移位寄存器 組輸入端與哈特曼_夏克波前傳感器的數(shù)據(jù)輸入端連接，并將串行輸入數(shù)據(jù)轉換，并且移 位寄存器組輸出并行數(shù)據(jù)，用于實現(xiàn)對哈特曼-夏克波前傳感器圖像的延時；所述該移位 寄存器組的深度取決于圖像一行的像素個數(shù)，為N-1，而級聯(lián)的移位寄存器組的個數(shù)取決于 所用參考模板的大小，為M-1，其中圖像大小為NXN，子孔徑參考模板大小為MXM，M和N = 1，2，3......ο
3.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼_夏克波前處理器，其特征在于所述 的列卷積模塊(2)由M個乘法器和一組加法器構成，第一個乘法器的一個輸入端接收第一 個模板系數(shù)信息，第一個乘法器的另一個輸入端與圖像緩存模塊(1)的第一個輸出端連 接，第二個乘法器的一個輸入端接收第二個模板系數(shù)信息，第二個乘法器的另一個輸入端 與圖像緩存模塊(1)的第二個輸出端連接，依次類推，第M個乘法器的一個輸入端接收第M 個模板系數(shù)信息，第M個乘法器的另一個輸入端與圖像緩存模塊(1)的第M個輸出端連接； 一組加法器由多個加法器級聯(lián)而成，并行流水地完成所有乘法器輸出的兩兩求和。
4.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼-夏克波前處理器，其特征在于所述 的行卷積模塊(3)采用直接型有限沖擊響應濾波器結構，所述有限沖擊響應濾波器結構是 由M-I個寄存器、M個乘法器和加法器組構成，行卷積模塊(3)輸入端與列卷積模塊(2)的 輸出端連接，完成對輸入數(shù)據(jù)的延時；而M個乘法器的一端與各個延時數(shù)據(jù)連接，M個乘法 器的另一端接入模板系數(shù)信息，所有乘法器的輸出端與加法器組的輸入端連接，對所有乘法器輸出的乘積結果并行流水地進行兩兩求和；所述的行卷積模塊(3)還可采用轉置型有 限沖擊響應濾波器結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼-夏克波前處理器，其特征在于所述 的鄰域像素窗口模塊(4)由移位寄存器組和3X3個寄存器組構成；對各行寄存器組的寄存 器進行首尾相接，實現(xiàn)對行卷積模塊(3)輸出數(shù)據(jù)的延時，并最終將串行輸入數(shù)據(jù)轉換并 輸出為并行數(shù)據(jù)，該移位寄存器組的深度取決于有效相關圖像值一行的像素個數(shù)為N-M+1， 而級聯(lián)的移位寄存器組的個數(shù)為2 ；該移位寄存器組的3個并行輸出與3X3個寄存器組的 三個輸入端連接，三個輸入端的每個輸入端都通過3個寄存器的延時作用形成3 X 3的像素 窗口，其中寄存器REGO存儲當前相關函數(shù)值，寄存器REGl、寄存器REG2、寄存器REG3、寄存 器REG4分別存儲其上、左、右和下四個方向的鄰域相關函數(shù)值。
6.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼-夏克波前處理器，其特征在于所述 的像素坐標計數(shù)器(5)由兩個計數(shù)器構成，兩個計數(shù)器的輸入端與時鐘同步信號連接，完 成哈特曼-夏克圖像數(shù)據(jù)坐標的計算并輸出像素坐標位置信息，兩個計數(shù)器的輸出端與多 通道尋優(yōu)模塊(6)的一個輸入端連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼_夏克波前處理器，其特征在于所述 的多通道尋優(yōu)模塊(6)由一個比較器、數(shù)據(jù)分配器組、選擇器組以及多個尋優(yōu)通道構成，尋 優(yōu)通道的數(shù)目與一個子孔徑行內的子孔徑個數(shù)相同，所有尋優(yōu)通道都具有相同的結構；比 較器的第一個輸入端口與鄰域像素窗口模塊(4)的寄存器REGO連接，比較器的另一個輸入 端口與選擇器組的輸出端連接，用來比較當前相關函數(shù)值與鎖存的相關函數(shù)的大小，比較 器的輸出端與數(shù)據(jù)分配器組連接；數(shù)據(jù)分配器組的一組選擇端與像素坐標計數(shù)器(5)的輸 出端連接，根據(jù)像素坐標位置確定當前結果所在的子孔徑區(qū)域，從而確定選擇哪個尋優(yōu)通 道進行處理，數(shù)據(jù)分配器的輸入端分別與像素坐標計數(shù)器(5)的輸出端、鄰域像素窗口模 塊⑷的輸出端和比較器的輸出端連接，鄰域像素窗口模塊⑷的輸出端分別于多個尋優(yōu) 通道的輸入端連接；選擇器組的輸入端分別與各個尋優(yōu)通道的輸出端連接，并根據(jù)像素坐 標位置信息，把同一個子孔徑的相關函數(shù)值輸入到同一尋優(yōu)通道中進行處理。
8.根據(jù)權利要求7所述的點源目標相關哈特曼_夏克波前處理器，其特征在于所述 的多通道尋優(yōu)模塊(6)的尋優(yōu)通道由一個鄰域值鎖存器和一個坐標鎖存器構成，其鎖存使 能端通過數(shù)據(jù)分配器與比較器的輸出端連接，鄰域值鎖存器通過數(shù)據(jù)分配器與鄰域像素窗 口模塊⑷的寄存器REG0、寄存器REG1、寄存器REG2、寄存器REG3和寄存器REG4連接，完 成鄰域相關函數(shù)值的鎖存，而坐標鎖存器通過數(shù)據(jù)分配器與像素坐標計數(shù)器(5)的輸出端 連接，完成坐標位置的鎖存；鄰域值鎖存器和坐標鎖存器的輸出通過數(shù)據(jù)選擇器完成相關 函數(shù)值及其對應坐標值的輸出及反饋，如果存儲于寄存器REGO當前輸入的相關函數(shù)值大 于鎖存的相關函數(shù)值，則鎖存使能有效，把寄存器REGO所存儲的當前相關函數(shù)值及其四個 鄰域相關函數(shù)值一起鎖存到鄰域值鎖存器，把當前坐標信息鎖存到坐標值鎖存器，否則保 持不變，直到一個子孔徑的所有相關函數(shù)值輸入完畢就得到了該子孔徑中的相關函數(shù)最大 值及其對應的坐標位置和鄰域相關函數(shù)值。
9.根據(jù)權利要求1所述的點源目標相關哈特曼_夏克波前處理器，其特征在于所述 的二次插值模塊(7)由χ和y兩個方向的插值單元構成，分別完成χ和y方向上的波前斜 率計算，插值單元的輸入端與多通道尋優(yōu)模塊(6)的輸出連接；每個插值單元都有一個除法模塊和一個加法器構成，根據(jù)公式
10. 一種點源目標相關哈特曼-夏克波前處理器的制造方法，其特征在于所述方法的 步驟包括步驟Sl 用高斯函數(shù)產生的理想高斯光斑作為參考模板，高斯函數(shù)的數(shù)學表達式為
全文摘要
本發(fā)明一種點源目標相關哈特曼-夏克波前斜率處理器及制造方法包括圖像緩存模塊，列卷積模塊，行卷積模塊，鄰域像素窗口模塊，像素坐標計數(shù)器，多通道相關值尋優(yōu)模塊和插值模塊，列卷積模塊的并行數(shù)據(jù)輸入端與圖像緩存模塊的輸出端連接，行卷積模塊的輸入端與列卷積模塊的輸出端連接，鄰域像素窗口模塊的輸入端與行卷積模塊的輸出端連接，多通道相關值尋優(yōu)模塊的輸入端分別與鄰域像素窗口模塊的輸出端和像素坐標計數(shù)器的輸出端連接，插值模塊的輸入端與多通道相關值尋優(yōu)模塊的輸出端連接。本發(fā)明適用于基于哈特曼-夏克波前傳感器點源目標自適應光學系統(tǒng)的實時波前探測。
文檔編號G01M11/00GK101949768SQ20101026066
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者李敏, 樊志華, 王春鴻, 饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學院光電技術研究所