同每个像素曝光开始及结束时间相同的传统科学级CCD相机相比, 近年来出现的卷帘快门(rolling shutter) sCMOS相机工作时每个像素的曝光开始及结束时间不同, 曝光时间相同, 因此需要评估sCMOS相机像素之间曝光开始及结束时间不同对空间碎片测量精度的影响。首先测试了卷帘快门sCMOS相机的工作时序和最大延迟时间, 并得出曝光不同步的改正公式, 再以激光卫星为目标, 测试了两种典型观测模式下空间碎片的天文定位精度, 并对应用曝光不同步改正前后结果进行对比。测试结果表明sCMOS相机卷帘快门的工作时序与理论一致, 边缘曝光延迟最大10 ms; 实测表明恒星位置内符合精度优于2 arcsec, 目标天文定位精度优于3 arcsec。sCMOS相机能够用于空间碎片观测, 能够实现较高的位置测量精度。

为了简化相机调试系统, 降低调试成本, 设计了基于FTDI公司的FT600芯片的USB3.0接口。首先, 对Camera Link接口相机调试的复杂性和USB3.0接口调试的优势做了简要介绍, 接着, 对整个接口的硬件电路设计过程进行了说明,根据相应的数据手册,完成了对FT600芯片外围电路及控制芯片, 现场可编程门阵列(FPGA)外围电路的设计。最后, 用Verilog硬件描述语言(Verilog HDL)对FPGA内部完成编程, 并通过FTDI公司提供的上位机程序对所设计的接口进行了测试。测试结果表明, 该USB3.0接口电路能够通过上位机软件对工作模式进行设置, 并能以200 MB/s左右的速率对数据进行传输。能够满足相机调试时的需求, 达到简化调试系统的目的。

为满足机动式车载自适应光学系统的需求, 设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构, 由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性; 波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心, 其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法, 实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明: 对于两级精密跟踪, 97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统, 系统处理延时为506.25 μs, 满足系统1 500 Hz的实时波前处理需求。

针对自适应光学系统对波前处理计算量和实时性要求的提高, 提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自适应光学系统波前处理算法。该算法利用核心处理模块重复利用的方式完成波前斜率计算, 利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下, 完成整个波前处理, 给出促动器所需的促动量。以一片Virtex-4 LX80 FPGA作为主核心处理芯片进行了实验验证, 结果表明: 该算法可降低50%的硬件资源, 提高了系统波前处理能力; 另外, 算法可实现在当前帧结束前完成整个波前处理运算, 提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制带宽。在室内的Shack-Hartmann波前传感器的的自适应光学系统上进行了激光光源的校正实验, 结果显示光源能力集中度有了明显的提高。

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统，用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成，分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正，得到了系统的静态校正精度。然后，测试了精密跟踪系统的校正能力。最后，利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件，以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标，在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示: 该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20; 两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz; 系统在强湍流情况下，动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明，97单元自适应光学系统能够有效地校正像差，提高成像分辨率。

：数据通信系统是整个大型望远镜的数据传输中枢。针对地基大型望远镜分系统多，信号种类繁杂、分布不均匀和分布距离较远等特点，设计了一种基于大规模集成电路FPGA的数据通信系统。系统分为机上数据通信系统和机下数据通信系统两部分，机上与机下数据通信系统通过单根光纤进行连接。系统最多可提供60路RS422、32路TTL、10路RS485和4路RS232同步传输。同时，系统以GPS时钟频率为基准频率产生多种工作时序，为望远镜提供同步工作脉冲；通过采集曝光脉冲对应时刻的时间数据和编码器数据锁存当前的时空信息。硬件方面采用XILINX公司的Virtex-5系列FPGA为核心处理芯片完成该系统的设计，实验结果表明系统可满足大型望远镜数据通信的需求。

地基大口径望远镜自适应光学系统对空间目标的校正性能相对天文目标明显退化.为有针对性地优化观测参数, 获取空间目标最佳校正效果, 需要对自适应光学系统对空间运动目标校正性能进行合理地预测.以波前探测器测量的校正后波前残差为度量标准, 通过对空间目标轨道分析, 推导了空间目标最佳自适应观测仰角的存在和计算方法.以长春光机所自研的1.23m望远镜为例, 分析了空间目标随轨道变化的大气相干长度对空间拟合像差、格林伍德频率对时域拟合像差、目标信号强度对波前测量误差的影响.结果表明: 时域拟合像差相对空间拟合像差占主要成分; 目标信号强度变化对波前测量误差的影响不大; 目标、轨道、系统参数不同, 对应的最佳自适应观测仰角亦不同.另外, 通过改变湍流相位板通光尺寸、转速以及光源亮度分别模拟大气相干长度、格林伍德频率以及目标信号强度的变化, 构造了可用于测试自适应光学系统对不同轨道状况空间目标的校正性能的实验系统.

提出了一种适合硬件形式波前处理器的非共光路像差校正方法.讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法.根据波前处理器的工作流程, 推导了将非共光路像差折算到波前探测器参考点偏移量的算法, 编写了实现算法的主控计算机软件模块.在望远镜光路中以光源为目标开展实验, 用本文算法校正后, 目标能量集中度提高了17.6%, 证明了该方法的可行性.

为了在已知粗略方位角和地理位置时实现三视场天文定位定向设备的快速测量，给出了一种三视场定位定向设备的快速局部星图识别方法。分析了三视场定位定向设备使用全天球识别数据库执行三角形识别时识别效率低的原因; 指出了应先进行视场内识别，后进行视场间识别以提高效率，并给出星图识别时角距误差门限的选取范围; 给出了一种基于粗略位置和方位快速生成局部识别数据库的方法，它可以减少识别信息的冗余，实现高效的星图识别。仿真实验和野外实验结果表明：使用此局部识别方法正确识别率可达99.19%，识别速度为24.3 ms，基本满足三视场天文定位定向设备快速高效测量的要求。验证了局部星图识别方法的效率，以及采用先视场内识别后进行视场间识别方式的正确性。

为了减小负载转矩扰动和系统参数摄动对永磁同步电机控制系统的影响，提出了一种基于卡尔曼滤波器的自适应滑模速度控制器。该控制器由自适应律估计参数摄动项，用卡尔曼滤波器估计外部扰动项。设计了含积分作用的滑模面，以保证电机转速的无静差跟踪；采用了指数趋近律，以提高趋近速度并削弱抖振。卡尔曼滤波器估计得到的系统外部扰动前馈补偿至控制器的输出，用于有效降低滑模控制器的不连续切换项造成的系统抖振。实验结果显示：跟踪设定的600 r/min转速时，控制器稳态转速精度达到±1 r/min。电机在以600 r/min稳速运行时，设计的控制器在1.6 N·m的外部转矩扰动下的最大转速波动比传统PI控制器的转速波动减小了2% 。仿真分析和实验数据表明基于卡尔曼滤波器的自适应滑模控制器对交流伺服控制系统具有较强的抗扰动性、鲁棒性以及良好的稳态性能。