夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克 -哈特曼传感器，根据其波前处理计算量和实时性的要求，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA，field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算，并通过 USB3.0将处理后的质心数据实时传输给 PC机。处理机以一片 XILINX公司 Kintex7-XC7K325T的 FPGA作为处理芯片进行了设计，结果表明：该算法可对 560帧/s的 1020×1020图像(580 MB/s数据量)，56×56子孔径哈特曼传感器，进行低延时实时光斑质心计算，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速度。

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求, 本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统, 该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500 Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器, 报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果, 实验中对模拟大气相干长度r0为6 cm, 格林伍德频率为160 Hz的大气湍流实现有效校正, 自适应光学系统闭环后, 波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600 nm, 后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500 Hz 的波前校正频率下有较高的成像质量, 波前处理延时优于235 μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100 Hz 以下的波前畸变具有明显的校正效果。

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。

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.

为了及时发现及定位基于FPGA(Field Programmable Gate Arrays)的自适应波前处理器执行过程中发生的问题, 提出一种针对该波前处理器的故障诊断系统以解决这一问题。根据调试及操作的需求, 该系统能够向上位机实时反馈当前波前处理各部分的执行结果及运行状态, 定位故障并分析数据误差。该系统在137单元波前处理器实验平台上进行了实验, 实验结果表明: 在处理器实时校正过程中, 监控系统反馈的数据及相关信息与相应理论值能够很好地匹配, 能及时发现故障并定位。该系统应用于大型地基高分辨率成像望远镜的自适应光学系统, 直观反映自适应光学波前处理器的运行过程及相应结果, 如发生故障, 可以及时发现并定位故障来源, 较大地提高了硬件及软件的调试效率。同时, 通过各阶段运行结果的分析, 有利于进一步提高各部分运算速度及精度。

随着自适应光学(AO)系统的发展，波前处理机(WFP)中包含了复杂的高速I/O接口和多电平标准供电，使得WFP面临严重的信号完整性(SI)挑战，若不能有效解决这些问题，系统性能将会受到严重影响。文章使用场路混合仿真方法对高速波前处理机中并行多传输线间的串扰、高速传输通道上的反射及高速串行链路上的差分信号完整性问题进行了分析与仿真。结果表明通过增大间距与增加短路防护布线可有效降低串扰，通过终端与源端共同匹配的方式可减少信号反射，差分线不平衡会增加高速链路的共模噪声，最后进行了系统级高速链路仿真与实测，传输速度达6.25Gb/s，误码率低于1×10-12，满足系统要求。

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求，研制了千单元级自适应光学系统。设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合，输出规模最大可达1 200单元的自适应光学系统波前处理器。采用大规模逻辑器件作核心处理芯片，用多线并行流水算法缩短波前处理延时，提高系统控制带宽。对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验。实验结果显示：系统最高采样帧频为2 000 frame/s 时，波前运算延时为20.96 μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效。

考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求, 对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化, 提出了一种自适应光学系统波前处理算法。该算法基于重复利用核心模块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, 完成整个波前处理运算, 给出促动器所需的促动量。采用一片Virtex-4 LX80现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片进行了实验, 结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50%的硬件资源, 提高了系统的波前处理规模; 与原算法帧同步结束后有338 μs的计算延时相比, 本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算, 提高了自适应光学系统的控制带宽。利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验, 取得了很好的效果。