[发明专利]适用于液晶自适应光学系统的快速波前重构方法

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，涉及大气通道光波前的探测信号到位相数字信号的数据传输与计算，特别是一种基于Zernike模式重构波前的快速处理方法，适用于大数据量的液晶自适应光学系统，具体地说是一种适用于液晶自适应光学系统的快速波前重构方法。

背景技术

地基望远镜上的自适应波前校正成像系统已成为保障其分辨率的重要设施。液晶波前校正器的驱动单元(像素)数可达百万个，空间校正频率很高，很有希望应用于10米以上口径大型望远镜的波前校正自适应光学系统中。但是校正器驱动单元数的增多，会使波前数据处理量增加。尤其液晶波前校正器的像素与波前探测器的子单元不对应，需用Zernike多项式拟合探测信号，即在液晶自适应光学系统的控制主机中以液晶波前校正器的像素面阵为波前位相分布的位置坐标系，对应这个位置坐标系，并将Zernike多项式每项前面的系数(前置系数)取为1个波长，计算出Zernike多项式的每一项位相分布，称为Zernike多项式相应项的模式波前。这些模式波前数据为预存数据，无需即时处理，但看得出液晶波前校正器的像素越多预存数据量越大。用这些波前模式的线性组合拟合波前探测信号，可以得出被测波前的Zernike模式系数列向量A，然后依据下式的矩阵乘法重构出被测波前位相矩阵Φ的表达式：

Φ＝Z·A                    (1)

式中为上述预存的Zernike模式波前位相矩阵，简称Zernike模式矩阵，矩阵元的下角标k为列的数目、对应Zernike模式的数目，h为行的数目、对应液晶波前校正器的像素数。通常k在30～100之间，h在5万～100万之间，因此液晶自适应系统的数据传输与处理量几十倍甚至上百倍于传统使用的变形镜校正器系统。为了使液晶自适应系统的校正速度能够跟上大气湍流波前的变化速度，不但对波前处理机的计算速度要求非常高，而且要求数据传输速度也要非常快。变形镜自适应系统所用的DSP、FPGA等专门数据处理器，由于片内高速存储器容量远不够容纳液晶自适应系统的波前数据，需要使用传输速度较慢的片外内存，尽管DSP和FPGA具有很快的计算速度，但数据传输的瓶颈大大降低了DSP和FPGA完成计算的速度。如果将20片以上的DSP芯片集成，是可以解决片内高速存储器容量不够的问题，但集成DSP的电路结构复杂，体积庞大，开发周期长，成本极高。目前能够在国外买到的都是集成度在10片以下的。因此DSP、FPGA很难满足液晶系统的要求，必须选择其它的高速处理机。

上述液晶自适应光学系统的矩阵波前位相运算，相当于高密度图片式计算，图形处理器(GPU)是比较适用的专门数据处理器。

图形处理器(GPU)是一种高度并行化的多线程、多核处理器。目前的GPUNvidia Geforce GTX 480的单精度计算峰值速率达到1344.96GFOPS。片外有一个足以容下液晶系统数据量的内存(显存)，其数据传输带宽177.4GB/s。虽然显存到GPU的数据传输速度也不能与GPU多核处理器的计算速度匹配，但这个传输速度已是DSP和FPGA的几十倍甚至上百倍。所以使用GPU进行液晶自适应系统的波前数据处理，速度更快，体积又小，具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供适用于液晶自适应光学系统的快速波前重构方法。

本发明考虑到GPU的计算速度要比显存到GPU的数据传输速度快4倍之多，在数据传输满负荷运转下，GPU内核处理器的使用效率还不到25％，因而提出利用Zernike模式的奇偶性使波前数据传输量减少的办法，使传输时间减少，同时使GPU内的多核处理器正好形成不间断的连续工作状态，使用效率增加、处理速度加快。

本发明利用Zernike模式的奇偶性将波前数据传输量减少到原来的四分之一，与此同时GPU内核处理器的数据处理形成不间断的连续流程，使用效率提升3倍，波前数据处理时间减少至原来的四分之一。

Zernike多项式的表达形式分为余弦多项式和正弦多项式，也就是Zernike模式可分成余弦模式和正弦模式，即