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。

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.

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。

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响, 在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上, 充分提取和发掘算法内在的并发性, 采用流水线和并行处理技术, 设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机, 实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中, 同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明, 采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度, 可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。

针对自适应光学系统对波前处理机高计算量、高实时性的要求,本文提出了一种基于脉动阵列的自适应光学实时波前处理方法。该方法将脉动阵列的概念引入波前处理机设计,完成了波前斜率计算、复原运算和控制运算向脉动阵列的映射,合理地建立了数据的深度流水线,同时分析了以FPGA技术实现时系统的计算延时。对于48个子孔径、61单元的自适应光学系统,以一片Xilinx Virtex-ⅡXC2V3000芯片实现了基于脉动阵列的实时波前处理机,实验测得计算延时仅8.6μs,结果表明该方法能极大地提高系统的实时性、集成度、通用性和扩展性。