專利名稱：基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率獲取方法及處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及點(diǎn)源目標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)高速波前處理系統(tǒng)，是一種低成本、易擴(kuò)展的、適 用于超大規(guī)模自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)波前探測(cè)的波前斜率處理器。
背景技術(shù)：
哈特曼-夏克傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的波前傳感器，通常由微透鏡陣列與 CCD(電荷耦合元件)相機(jī)組成，陣列微透鏡對(duì)波前進(jìn)行分割采樣，在電荷耦合元件的靶面 上形成一個(gè)光斑陣列。當(dāng)入射光束有波前畸變時(shí)，子孔徑范圍內(nèi)的局部波前傾斜將會(huì)造成 光斑的發(fā)生漂移，測(cè)量光斑中心在兩個(gè)方向上的漂移量就可以求出各個(gè)子孔徑范圍內(nèi)的波 前在兩個(gè)方向上的平均斜率?；叶戎匦姆ǔ３Ｓ脕泶_定子孔徑光斑的中心位置，從而計(jì)算 出局部波前斜率，提供給波前校正器以實(shí)現(xiàn)波前畸變的校正或者波前復(fù)原裝置進(jìn)行波前檢 測(cè)?；叶戎匦姆ǖ某Ｒ?guī)實(shí)現(xiàn)方式需要乘法器完成坐標(biāo)與灰度權(quán)值的乘法運(yùn)算，而目前 基于FPGA的波前處理機(jī)都是采用乘法器與累加器相結(jié)合的方式完成子孔徑光斑灰度重心 的計(jì)算，例如中科院光電所研制的61單元高速波前處理機(jī)，采用三個(gè)乘法器和三個(gè)累加器 構(gòu)造一個(gè)處理通道，求得子孔徑斜率計(jì)算所需的三個(gè)低階圖像矩，通道數(shù)量與一個(gè)子孔徑 行所包含的子孔徑數(shù)目相同[周璐春，王春鴻，等.基于FPGA技術(shù)的波前斜率處理方法 [J].光電工程，2002，29 (3) :28-31.]。然而，為了獲得更好的波前探測(cè)效果，自適應(yīng)光學(xué) 系統(tǒng)中的CCD相機(jī)分辨率越來越高，哈特曼_夏克傳感器子孔徑數(shù)目也越來越多，例如美 國(guó)的Keck AdaptiveOptics的哈特曼-夏克波前傳感器的子孔徑排布為20X20[Marcos A. vanDam, et al. Performance of the Keck Observatory adaptive-opticssystem[J], 2004，APPLIED OPTICS 43(29) :5458_5467.]，而為 ELTs (Extremely Large Telescopes) 的自適應(yīng)光學(xué)波前校正研制的探測(cè)器甚至能夠支持50X50到200X200個(gè)子孔徑 [L.F.Rodriguez Ramos, et al. FPGA-based slope computation for ELTs adaptive optics wavefrontsensors [J]. SPIE, 2008, 7015 (701530) :1_11.]。這要求波前處理器增加 相應(yīng)數(shù)目的處理通道。專用乘法器作為高檔FPGA片內(nèi)的稀缺資源，數(shù)量很少，而構(gòu)造乘法 器也需要占用大量的邏輯資源，因此對(duì)于超大規(guī)模自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前斜率處理，上述 的基于乘法器的波前斜率處理構(gòu)架需要占用的邏輯資源巨大，甚至無法在單片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí) 現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決的現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)在哈特曼_夏克傳感器子孔徑數(shù)目越來越多的的情況 下，現(xiàn)有的基于乘法器的波前斜率處理器占用的資源過多的問題，本發(fā)明的目的是提出了 一種基于累加器的波前斜率處理裝置。本發(fā)明基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，該處理器解決技術(shù)問題的技術(shù) 方案是由多個(gè)處理通道和一個(gè)除法模塊組成，每個(gè)處理通道之間為并聯(lián)連接，每個(gè)處理通道的兩個(gè)輸入端分別與外部的電荷耦合元件的時(shí)鐘信號(hào)端和電荷耦合元件的圖像數(shù)據(jù)端 并行連接，每個(gè)處理通道的輸出端分別通過數(shù)據(jù)線與除法模塊的輸入端連接，除法模塊的 輸出端輸出圖像每個(gè)子孔徑光斑的質(zhì)心位置；所述處理通道的數(shù)量與一個(gè)子孔徑行內(nèi)子孔 徑個(gè)數(shù)相同，用于對(duì)所有光斑并行處理。本發(fā)明利用基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率的 獲取方法，該方法解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是步驟Sl 電荷耦合元件的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線同時(shí)流入各個(gè)通道，每個(gè)通道內(nèi)的協(xié) 處理器根據(jù)電荷耦合元件的像素的空間位置產(chǎn)生控制信號(hào)，使得所述通道內(nèi)的第零累加器 至第四累加器只對(duì)所述通道所對(duì)應(yīng)的子孔徑像素進(jìn)行處理；步驟S2 根據(jù)所述子孔徑圖像的大小為MXN，對(duì)每行數(shù)據(jù)的零階矩通過遞推的方 式計(jì)算Mi0(J) = Mi0(J-I)+Si (N_J+1)式中M表示子孔徑的行數(shù)，N表示子孔徑的列數(shù)，Mi0表示第i行數(shù)據(jù)的零階矩， Si(N_J+1)表示電荷耦合元件的數(shù)據(jù)，j表示在子孔徑中像素的列坐標(biāo)，i表示行坐標(biāo)，第零累 加器用來計(jì)算每行的零階矩，而一階矩Mil也通過遞推方式計(jì)算Mil(J) = Mil(J-I)+Mi0(J)式中的初值為零；每一個(gè)新電荷耦合元件的數(shù)據(jù)Si0^+1)到來，通過累加得到第i 行數(shù)據(jù)的零階矩Mitl (j)，同時(shí)對(duì)第i行數(shù)據(jù)的零階矩Mitl (j)進(jìn)行累加得到一階矩Mil (j)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)與坐標(biāo)的乘積運(yùn)算；當(dāng)一行數(shù)據(jù)輸入完成，就得到所述每行數(shù)據(jù)的一維零階矩 Mi0和一維一階矩Mil ；這個(gè)一維一階矩是通過第一累加器按照電荷耦合元件的時(shí)鐘節(jié)拍，在 控制信號(hào)的控制下對(duì)第零累加器的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加得到；步驟S3 對(duì)第零累加器所累加的零階矩在每行結(jié)束時(shí)在第二累加器中進(jìn)行累加， 當(dāng)所述子孔徑所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所 需的零階矩Hlotl;步驟S4 對(duì)第二累加器的結(jié)果在每行結(jié)束時(shí)通過第四累加器進(jìn)行累加，當(dāng)所述子 孔徑所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所需的二維 一階矩Hl01 ；步驟S5 對(duì)第一累加器的結(jié)果再每行結(jié)束時(shí)通過第三累加器進(jìn)行累加，當(dāng)所述子 孔徑所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所需的二維 一階矩Hl10 ；步驟S6 根據(jù)質(zhì)心運(yùn)算公式
Γ π γ _ fflQi γ _ mioAc --,rC--
mOOmOO式中Xc和Yc是質(zhì)心位置，i和j是每個(gè)像素的坐標(biāo)，而Hltltl, Hl10和Hltll分別是圖像 的零階矩和兩個(gè)方向上的一階矩，利用除法模塊計(jì)算出所述子孔徑的質(zhì)心位置為子孔徑在 兩個(gè)方向上的波前斜率。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)針對(duì)資源有限的問題，本發(fā)明用累加器代替了乘法器，構(gòu)成質(zhì)心運(yùn)算的基本單元， 完成子孔徑內(nèi)光斑質(zhì)心計(jì)算所需的低階矩的運(yùn)算，減少了邏輯資源的使用，同時(shí)保持很小的處理延遲時(shí)間，適用于大規(guī)模自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前斜率實(shí)時(shí)處理。采用流水線技術(shù)和 并行技術(shù)提高了處理器的工作頻率，便于系統(tǒng)的小型化；多通道設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展； 因此本發(fā)明能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)相同子孔徑布局的波前斜率探測(cè)。


圖1是二維低階矩計(jì)算的可分解示意圖；圖2是哈特曼_夏克波前傳感器的圖像；圖3是本發(fā)明提出的基于累加器的波前斜率處理器的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是單個(gè)處理通道進(jìn)行低階矩運(yùn)算的Moldsim仿真時(shí)序圖；圖5是本發(fā)明的裝置對(duì)哈特曼-夏克波前傳感器的圖像計(jì)算所有子孔徑波前斜率 的moldsim仿真圖；圖6是傳統(tǒng)的方法得到的子孔徑光斑質(zhì)心偏移圖像；圖7是本發(fā)明所得到的子孔徑光斑質(zhì)心偏移圖像；圖8是本發(fā)明基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率 的獲取方法；圖9是第零累加器AccO的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是第一累加器Accl的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是第二累加器Acc2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是第三累加器Acc3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是第四累加器Acc4的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。為了避免乘法器的使用，減少資源消耗，并是實(shí)現(xiàn)低資源消耗的高速波前斜率處 理，對(duì)灰度重心法的低階矩運(yùn)算部分作出了以下改進(jìn)1) 二維低階矩計(jì)算的可分解性灰度重心法所需低階矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
權(quán)利要求
基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于由多個(gè)處理通道和一個(gè)除法模塊組成，每個(gè)處理通道之間為并聯(lián)連接，每個(gè)處理通道的兩個(gè)輸入端分別與外部的電荷耦合元件的時(shí)鐘信號(hào)端和電荷耦合元件的圖像數(shù)據(jù)端并行連接，每個(gè)處理通道的輸出端分別通過數(shù)據(jù)線與除法模塊的輸入端連接，除法模塊的輸出端輸出圖像每個(gè)子孔徑光斑的質(zhì)心位置；所述處理通道的數(shù)量與一個(gè)子孔徑行內(nèi)子孔徑個(gè)數(shù)相同，用于對(duì)所有光斑并行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述每個(gè)處理通道由一個(gè)協(xié)處理器和第零累加器至第四累加器構(gòu)成，協(xié)處理器的輸入端與電 荷耦合元件的時(shí)鐘信號(hào)端連接，協(xié)處理器根據(jù)電荷耦合元件的時(shí)鐘信號(hào)生成第零累加器至 第四累加器的使能信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，協(xié)處理器的輸出端分別與第零累加器至第四累加器的 輸入端連接，第零累加器的輸入端還與電荷耦合元件的圖像數(shù)據(jù)端連接，第零累加器的輸 出端分別與第一累加器和第二累加器的輸入端連接，第三累加器和第四累加器的輸入端分 別與第一累加器和第二累加器的輸出端連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述累加器的控制，協(xié)處理器控制電 荷耦合元件的圖像數(shù)據(jù)流水地進(jìn)入所述累加器，使得第二累加器、第三累加器和第四累加 器輸出每個(gè)子孔徑光斑的質(zhì)心計(jì)算所需的低階矩Hltltl, Hl10和Hltllt5
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述的第零累加器是由一個(gè)第零加法器和一個(gè)帶使能端和復(fù)位端的第零寄存器構(gòu)成，第零加 法器的一個(gè)輸入端與電荷耦合元件的圖像數(shù)據(jù)連接，第零加法器的另一個(gè)輸入端與第零寄 存器的輸出端連接，第零寄存器使能信號(hào)端和復(fù)位信號(hào)端分別與協(xié)處理器的使能輸出端和 復(fù)位輸出端連接，第零加法器在使能信號(hào)的控制下，在一個(gè)子孔徑內(nèi)對(duì)一行圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 累加，當(dāng)子孔徑內(nèi)的一行數(shù)據(jù)輸出完畢，第零加法器內(nèi)累加得到所述行圖像數(shù)據(jù)的一維零 階矩值，在下一行第一個(gè)數(shù)據(jù)輸入前通過復(fù)位信號(hào)對(duì)第零加法器復(fù)位，為下一行數(shù)據(jù)做準(zhǔn) 備。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述的第一累加器由一個(gè)第一加法器和一個(gè)帶使能端和復(fù)位端的第一寄存器構(gòu)成，第零累加 器的輸出端與第一加法器的一個(gè)輸入端連接，第一加法器的另一個(gè)輸入端與第一寄存器的 輸出端連接，第一寄存器的使能信號(hào)端和復(fù)位信號(hào)端分別與協(xié)處理器的使能輸出端和復(fù)位 輸出端連接，第一累加器的輸出端與第三累加器的輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述的第二累加器由一個(gè)第二加法器和一個(gè)帶使能端和復(fù)位端的第二寄存器構(gòu)成，第零累加 器的輸出端與第二加法器的一個(gè)輸入端連接，第二加法器的另一個(gè)輸入端與第二寄存器的 輸出端連接，第二寄存器的使能信號(hào)端與復(fù)位信號(hào)端分別與協(xié)處理器的使能輸出端和復(fù)位 輸出端連接，第二累加器的輸出端與第四累加器的輸入端連接，第二累加器的輸出端輸出 零階矩HW
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述的第三累加器由一個(gè)第三加法器和一個(gè)帶使能端和復(fù)位端的第三寄存器構(gòu)成，第一累加 器的輸出端與第三加法器的一個(gè)輸入端連接，第三加法器的另一個(gè)輸入端與第三寄存器的 輸出端連接，第三寄存器的使能信號(hào)端與復(fù)位信號(hào)端分別與協(xié)處理器的使能輸出端和復(fù)位 輸出端連接，第三累加器的輸出端輸出一階矩m1Q。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所 述的第四累加器是由一個(gè)第四加法器和一個(gè)帶使能端和復(fù)位端的第四寄存器構(gòu)成，第二累 加器的輸出端與第四加法器的一個(gè)輸入端連接，第四加法器的另一個(gè)輸入端與第四寄存器 的輸出端連接，第四寄存器的使能信號(hào)端與復(fù)位信號(hào)端分別與協(xié)處理器的使能輸出端和復(fù) 位出端連接，第二累加器的輸出端與第四累加器的輸入端連接，第四累加器的輸出端輸出 一階矩m01。
8.根據(jù)權(quán)利要求1基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器，其特征在于所述的除 法模塊由兩個(gè)除法器構(gòu)成，分別完成X和Y方向上的波前斜率計(jì)算。
9.一種利用權(quán)利要求1基于累加器的自適應(yīng)光學(xué)波前斜率處理器的自適應(yīng)光學(xué)波前 斜率的獲取方法，其特征在于所述方法的包括步驟如下步驟Sl 電荷耦合元件的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線同時(shí)流入各個(gè)通道，每個(gè)通道內(nèi)的協(xié)處理 器根據(jù)電荷耦合元件的像素的空間位置產(chǎn)生控制信號(hào)，使得所述通道內(nèi)的第零累加器至第 四累加器只對(duì)所述通道所對(duì)應(yīng)的子孔徑像素進(jìn)行處理；步驟S2 根據(jù)所述子孔徑圖像的大小為MXN，對(duì)每行數(shù)據(jù)的零階矩通過遞推的方式計(jì)算Mi0(J) =Mi0(j-l)+Si(N_J+1)式中M表示子孔徑的行數(shù)，N表示子孔徑的列數(shù)，Mi0表示第i行數(shù)據(jù)的零階矩，Si(N_J+1) 表示電荷耦合元件的數(shù)據(jù)，j表示在子孔徑中像素的列坐標(biāo)，i表示行坐標(biāo)，第零累加器用 來計(jì)算每行的零階矩，而一階矩Mil也通過遞推方式計(jì)算Mil (j) =Mil(J-I)+Mi0(J)式中的初值為零；每一個(gè)新電荷耦合元件的數(shù)據(jù)Si0^+1)到來，通過累加得到第i行數(shù) 據(jù)的零階矩Mitl (j)，同時(shí)對(duì)第i行數(shù)據(jù)的零階矩Mitl (j)進(jìn)行累加得到一階矩Mil (j)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 應(yīng)數(shù)據(jù)與坐標(biāo)的乘積運(yùn)算；當(dāng)一行數(shù)據(jù)輸入完成，就得到所述每行數(shù)據(jù)的一維零階矩Mitl和 一維一階矩Mil ；這個(gè)一維一階矩是通過第一累加器按照電荷耦合元件的時(shí)鐘節(jié)拍，在控制 信號(hào)的控制下對(duì)第零累加器的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加得到；步驟S3 對(duì)第零累加器所累加的零階矩在每行結(jié)束時(shí)在第二累加器中進(jìn)行累加，當(dāng)所 述子孔徑所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所需的 零階矩Hiotl ；步驟S4 對(duì)第二累加器的結(jié)果在每行結(jié)束時(shí)通過第四累加器進(jìn)行累加，當(dāng)所述子孔徑 所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所需的二維一階 矩1% ；步驟S5 對(duì)第一累加器的結(jié)果再每行結(jié)束時(shí)通過第三累加器進(jìn)行累加，當(dāng)所述子孔徑 所有像素輸入到第零累加器，完成該行的累加計(jì)算，就能計(jì)算出質(zhì)心運(yùn)算所需的二維一階矩 m10 ；步驟S6 根據(jù)質(zhì)心運(yùn)算公式_ W01m10_ '1C _ mOOmOO式中Xc和\是質(zhì)心位置，i和j是每個(gè)像素的坐標(biāo)，而nw m10和mQ1分別是圖像的零 階矩和兩個(gè)方向上的一階矩，利用除法模塊計(jì)算出所述子孔徑的質(zhì)心位置為子孔徑在兩個(gè)方向上的波前斜率。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率獲取方法及處理器，處理器由多個(gè)通道和一個(gè)除法模塊Div組成，通道數(shù)量和一個(gè)子孔徑行內(nèi)子孔徑個(gè)數(shù)相同。每個(gè)通道由一個(gè)協(xié)處理器和五個(gè)累加器Acc0至Acc4構(gòu)成。方法包括把質(zhì)心運(yùn)算所需的二維圖像矩分解為兩個(gè)級(jí)聯(lián)的一維矩，然后利用遞推累加的的方法完成坐標(biāo)與像素的乘積計(jì)算功能，有效地避免了乘法運(yùn)算。
文檔編號(hào)G01J9/00GK101950250SQ201010298588
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者姜文漢, 樊志華, 王春鴻, 馬曉燠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所