[发明专利]一种基于通用平台的多层共轭自适应光学的实时控制器

说明书

本发明公开了一种基于通用平台的多层共轭自适应光学的实时控制器，是一种针对多层共轭自适应光学提出的并行处理硬件平台架构。实时控制器是多层共轭自适应光学系统的控制核心，完成大视场夏克‑哈特曼波前传感器的图像采集，预处理，子孔径图像的斜率计算，斜率插值，波前复原，波前控制以及电压输出等功能。本发明以通用多核CPU为计算平台，通过对Linux操作系统上将非实时系统改造成实时系统并且结合多种并行加速手段，从而满足多层共轭自适应光学系统实时控制器对2000Hz以上实时性的要求。本发明适用于自适应光学领域，对多层共轭自适应光学技术的工程实现具有重要意义。

技术领域

本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种基于通用平台的多层共轭自适应光学的实时控制器。

背景技术

为了满足天文学家对天体目标的大视场高分辨力成像观测需求，多层共轭自适应光学(MCAO)技术近年来成为自适应光学(AO)研究领域的热点之一。MCAO的设计思想是将大气湍流等效集中到某几个薄层，然后通过多块校正器分别与这些薄层共轭，产生相反的相位来进行校正，从而实现大视场范围内的高分辨力成像。因此其通常需要采用多个夏克-哈特曼波前传感器或者采用一个大视场夏克-哈特曼波前传感器来进行波前探测，而且需要控制多块变形镜进行波前校正。

实时控制器是MCAO系统的控制核心，起到承前启后的作用。它通过读取不同方向上的波前传感器的波前图像信号，然后进行波前复原和控制运算，计算得到电压控制信号控制多块变形镜。因此，实时控制器的性能对MCAO系统具有非常重要的影响。

相对于传统AO系统实时控制器而言，MCAO系统的波前斜率计算量更大，因为其子孔径和子区域更多。同时，由于多块变形镜的引入导致变形镜驱动器单元数的增加，其复原运算的计算量也变得更大。

常用的波前控制器通常采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)等专用器件的实时处理方案来满足AO系统高帧频低延时的需求，而多核CPU平台会引起时间抖动，影响系统性能，通常被认为不适合做实时控制器。但是由于其编程灵活，算法库丰富，非常适合多层共轭自适应光学系统的算法修改和验证。

近年来，随着计算机技术的不断提高，采用高性能多核CPU作为自适应光学系统实时控制器逐渐成为可能。美国大熊湖太阳天文台(BBSO)1.6m NST和德国1.5m GREGOR望远镜采用多核CPU搭载Linux Debian非实时内核操作系统，通过对应用程序深度优化，针对单元数较少的系统，使得系统可以工作在2000Hz以上，从而满足实时性要求。由于该系统使用的是非实时内核操作系统，当系统抖动时间远小于计算时间时，对系统性能不会产生影响，但是当系统抖动时间较大时，往往会引起系统丢帧处理，尤其是在处理单元数较多的自适应光学系统时，系统将无法满足高实时需求。

中科院光电技术研究所陈善球等人基于多核CPU平台采用Xenomai实时操作系统及Linux Ubuntu操作系统双系统，在系统内核态编写实时处理任务，从而使系统的实时性满足要求，该平台能够应对夜天文1000单元以上的自适应光学系统的实时性要求。然而，其在内核态编写实时处理任务，调试十分困难，而且不能调用系统函数库和对浮点数运算支持不够，需要自己手动编写和优化，因此不易于复杂算法的运算，如FFT运算。采用双系统使得实时处理任务在Xenomai实时操作系统被调度，非实时任务在Linux操作系统上运行，系统设计紧凑，但是算法修改不灵活，无法满足多层共轭自适应光学系统对光机系统改变后的算法上的灵活性处理。

我们结合前人的研究基础，提出了新的通用平台多层共轭自适应光学计算框架。首先，我们使用Linux Ubuntu非实时操作系统，裁剪不使用的驱动和冗余的内核模块，增加Preempt-RT Linux实时内核补丁文件，使系统运行达到实时的目的。其次，我们在用户态编写实时处理任务，可以灵活调用系统的库函数和浮点数运算，并且再对实时任务进行深度程序优化，将计算延时和计算抖动控制在合理范围内，能满足2000Hz以上的处理速度的要求。最后，我们采用上位机和实时处理机分离的机制，建立通用的网络通信接口，使得开发相互独立，编程更加灵活。