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.

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。

为满足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的需求，需设计千单元的自适应波前处理系统。为此提出了一种可扩展式的自适应光学系统波前处理器。系统由波前处理主板和波前处理子板组成, 每块波前处理主板可扩展10块波前处理子板。整个系统可以完成2 000帧/s的实时波前图像的采集、子孔径斜率的计算、波前拟合和1 200路的控制促动量输出的任务。详细给出了整个系统的硬件设计方案、实施过程和实验结果。