基于FPGA和DSP技术的自适应光学系统在线大气湍流参数测量平台

为了实现大气湍流参数的实时估计,提出并设计了一种基于FPGA和DSP技术的自适应光学系统在线大气参数测量平台。该测量平台采用FPGA作为前端处理器,在自适应光学系统闭环工作时,利用多通道并行技术和流水线技术从闭环数据高速复原开环泽尼克系数,采用DSP作为后端处理器,根据复原的开环泽尼克系数,利用其编程灵活的特点实现大气相干长度r0、外尺度L0、风速v和相干时间t0的复杂统计运算。最后将该测量平台应用在127单元的自适应光学系统上,以实际天文恒星为观测目标,进行了大气湍流参数的测量。     

快速确定K-L展开的泽尼克多项式系数的协方差矩阵对经过大气湍流的波前进行模拟

使用基于zernike多项式的K-L展开法对经过大气湍流的波前进行模拟时,需要根据泽尼克多项式的协方差矩阵对泽尼克多项式的系数进行求解,从而实现对大气湍流的模拟。本文使用一种快速确定协方差矩阵的方法求得泽尼克多项式系数,进而实现对波前的模拟,并以前15阶泽尼克多项式为例,模拟出经过大气湍流的波前。     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

基于泽尼克模式系数的自适应光学遗传算法

为了提高遗传算法(GA)控制的自适应光学(AO)系统的收敛性能,建立了一套新型的基于泽尼克(Zernike)模式系数的19单元自适应光学系统模型。在优化过程中,遗传算法不直接优化变形镜(DM)19个驱动器上的电压值,而是优化前10阶泽尼克模式系数。推导出19个电压值与前10阶泽尼克模式系数之间的关系矩阵,并进行了对比数值仿真。结果表明,该系统能够更好地校正固体激光器系统输出光束的波前像差。相对于直接优化变形镜电压值的无波前自适应光学系统,该自适应光学系统能够将遗传算法的收敛速度提高5倍以上。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序，计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时，在弱湍流效应条件下，以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱，SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2]，不考虑系统像差时，光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2；随着湍流强度或传输距离的增加，要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响，以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外，对于不同的发射和传输条件，自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的，且存在一阈值，条件不同其阈值是不同的。     

星向多层共轭自适应光学大气湍流三维波前模式复原算法分析

大气湍流三维波前复原是星向多层共轭自适应光学中的关键技术。分析了星向多层共轭自适应光学系统中的大气湍流三维波前模式复原算法,并对该算法进行了数值仿真验证和误差分析。分析结果表明:当对2层大气湍流进行三维波前复原时,若采用自然导星,因平移像差不能被探测,导致平移和倾斜两种模式不能被准确复原;若采用激光导星,因平移和倾斜像差不能被直接探测,导致平移、倾斜、离焦和像散几种模式不能被准确复原;当对3层大气湍流进行三维波前复原时,模式混淆总是存在,无法消除,各层大气湍流波前不能被准确复原;当观测目标在探测高度的波前被自然导星光束完全覆盖时,其波前可以被准确复原。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明:自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r_0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2(D／r_0)2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1 1．2(D／r_0)2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r_0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

无波前传感自适应光学神经网络控制方法

针对无波前探测自适应光学系统,研究了基于神经网络的波前控制方法。建立了无波前探测自适应光学仿真模型,分别采用卷积神经网络(Convolution Neural Network,CNN)和普通神经网络(General Neural Network,GNN)作为控制算法,远场光斑图像为神经网络的输入信号,一定阶数的泽尼克模式系数为神经网络的输出,分析了波前校正效果。仿真结果表明,经过充分训练后的神经网络可以快速、准确地从远场光斑图像中复原出入射波前的低阶泽尼克模式系数,CNN的效果优于GNN,二者的损失函数值分别为0.015 8和0.037 6。相比于传统的迭代式寻优控制方法,神经网络控制方法能够基于远场光斑图像快速得到控制信号,在实时性方面有明显优势。     

基于Lucy-Richardson的自适应光学图像复原

自适应光学系统受观测条件与自身条件的限制,通常只能对受大气湍流影响的降质图像进行部分矫正,文中提出将Lucy-Richardson应用于自适应光学图像的复原中,首先对LuckRichardson算法的原理进行介绍,并对比分析其在不同的噪声条件下的复原效果,针对其复原算法对噪声较为敏感的缺陷,提出将复原后的图像利用中值滤波进行降噪处理,实现模糊图像清晰化。     

一种硬件实现的数字语音网络会议终端

数字语音网络会议系统是专用的会议系统。介绍了数字语音网络会议终端硬件平台的设计和实现，提出了DSP＋FPGA的硬件结构，DSP中的软件基于DSP／BIOS实时操作系统开发，由FPGA完成网络通信硬件功能。     

基于PCI总线的ARINC429通讯模块研制

ARINC429是目前最常用的航空数据总线,ARINC429通信模块是航空电子系统中重要的组成模块。为了构建航空电子测试系统,设计了基于PCI总线的ARINC429通讯模块。采用DSP+FPGA的硬件结构,利用DSP实现了通讯模块的PCI接口,并利用FPGA实现了ARINC429通信协议的编解码逻辑。测试表明,该通讯模块能实时可靠灵活地收发数据,解决了飞行器多路ARINC429数据总线之间的双向通信问题。     

数字音频总线硬件设计与仿真

利用现场可编程门阵列 (FPGA)设计实现I2S数字音频接口,并利用仿真软件通过各种码率进行仿真测试,同时搭建实际的硬件测试平台进行测试,结果表明,该硬件系统设计能满足实时性要求,并能提供较好的功效比,为基带处理器的专用集成电路 (ASIC)设计提供了良好的参考作用。     

多目标LFMCW车载前向防撞雷达的实现

为主动减少高速公路上碰撞事故的发生,提出一种基于FPGA和DSP芯片的车载前向防撞雷达系统的实时处理方案。分别介绍了LFMCW雷达的基本原理、系统硬件架构、信号处理流程,给出了实测数据的结果分析。系统采用MTD-频域配对法来实现对目标参数的估计,实测数据结果不仅验证了算法的有效性,而且表明系统能够准确实时地检测出前面目标车辆的距离与速度信息。该方法可以应用到LFMCW防撞雷达系统当中,从而给驾驶员提供前方道路行驶参考,以达到减少交通事故的目的。     

近海激光通信分集技术对大气湍流扰动抑制的实验

为评估分集收发技术在近海面激光通信系统应用中对大气湍流扰动的抑制作用,设计了基于对多路1 550 nm激光光斑同步采集的验证实验方案。采用由时统终端触发的FPGA+多核DSP架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计,进而得到激光从发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。分别比较了等功率条件下单路发射和双路发射间、双孔径接收与等效单孔径接收间的到达角起伏方差和闪烁指数,同时比较了不同跨距下双孔径接收的效果。实验表明,在发射功率相同的情况下,与单路发射相比,双路发射能够有效地抑制因大气湍流扰动产生的到达角起伏和光强闪烁;在接收面积相同情况下,双孔径接收较单孔径接收所产生的到达角起伏与光强闪烁更弱,且在一定范围内,双孔径间的跨距存在最优值。     

虚拟试验系统协议转换模块研制

哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所研发了试验和训练体系结构HIT-TENA平台,用于搭建虚拟试验系统;为了将靶场实物资源接入该系统,研制了基于PCI总线和1553B总线的协议转换模块。采用DSP+FPGA的硬件结构,利用FPGA实现了并行协议帧头识别,利用DSP实现了协议转换。测试表明,该模块能完成协议转换,并将延时降低到1 ms以内,解决了试验设备接入虚拟试验系统时转换效率低下、延时较大等问题。     

一种新型的大气传输光通信APT系统研究

根据实际应用中对机动式大气传输光通信的要求，提出一种新型的大气传输光通信APT系统方案。以小波变换作为对通信对象红外目标进行检测识别的算法，搭建了基于FPGA和DSP的红外信号处理和伺服控制的硬件智能控制平台，将目标的捕获和图像的处理与伺服控制、精密机械传动等为一体形成大气传输光通信捕获、扫描和跟踪(APT)系统。该系统在FPGA上实时检测通信对象，通过DSP实现ATP算法的控制，由伺服精密传动系统实现扫描、捕获与跟踪。     

基于DSP、FPGA与CAN总线的跟踪控制器设计

DSP和FPGA组成的伺服控制系统能够满足复杂的控制算法要求。通过对TI公司的DSP控制芯片和ALTERA公司的FPGA芯片的功能和特点分析,结合CAN总线与上位机通信,设计了一种基于DSP、FPGA与CAN总线的跟踪控制器。给出了该控制器的功能和硬件结构,以及软件流程设计。重点介绍了该控制器的硬件资源选择,工作原理,基本功能模块构成及算法实现。该控制器能够满足高速跟踪的伺服系统在实时性、精确度和稳定性上的高要求,具有良好的功能扩展能力。     

水下目标定位系统的信号处理模块设计

针对水下目标的主被动定位功能需求和具体的技术指标要求,结合数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的各自优势,设计了基于DSP及FPGA的数字信号处理模块,以此处理模块为硬件平台,编程实现了相应的时延估计应用程序,并进行了实验验证,实验结果表明此信号处理系统时延估计精度高,满足了目标定位的要求。     

FPGA在机载雷达信号处理系统中的应用

介绍了一种基于大规模FPGA及高性能DSP芯片的机载雷达信号处理嵌入式系统的设计方案及设计实现。采用标准的VME总线及基于FPGA内嵌MGT的高速串行互连技术，具有实时性强、集成度高以及软硬件可编程易于系统扩展及重构的特点。