液晶自适应光学系统的快速波前处理技术研究

Adaptive optics is the necessary means to obtain of high-resolution imaging with large telescope， its system contains Hartmann wavefront detector, wavefront corrector and wavefront processor.In recent years, with the rapid development of the adaptive system based on liquid crystal corrector wavefront processing requirements substantially increase, there is an urgent need to study the wavefront applied to the liquid crystal adaptive system processor. So the wavefront processing technology research is proposed for liquid crystal adaptive optics in this application. Its contents include: the analysis focuses on the performance of FPGA and GPU, the applicant intends to use the advantage of low latency FPGA to perform computing slope tasks, take advantage of the GPU to perform high memory bandwidth wavefront reconstruction tasks; Based on a Zernike four-quadrant symmetry, a higher speed wavefront reconstruction algorithm will be proposed. Completion of the research work will further enhance the handling capacity of the liquid crystal adaptive optics wavefront system to meet large diameter 4 m class telescope applications.

自适应光学是大口径望远镜获得高分辨率成像的必要手段，其系统中包含哈特曼波前探测器、波前校正器和波前处理机。近年来随着基于液晶校正器的自适应系统快速发展，波前处理的要求大幅提高，迫切需要研究适用于液晶自适应系统的波前处理机。所以本申请在原有基础上，提出针对液晶自适应光学的波前处理技术研究。其研究内容包括：通过分析FPGA和GPU的性能侧重，申请人拟利用FPGA延迟低的优点执行斜率计算任务，利用GPU存储带宽高的优点执行波前重构任务；在原有Zernike四象限对称性算法基础上，进一步挖掘Zernike对称性，提出更高波前重构速度的算法。上述研究工作的完成，将进一步提高液晶自适应光学系统的波前处理能力，满足4米级大口径望远镜的应用要求。

在自适应光学系统中应用时，波前处理器要求必须具有快速处理能力，只有这样它才能实时对大气湍流进行波前调节，使望远镜获得预期的成像效果。在本项目中我们围绕快速液晶自适应系统的快速波前处理技术展开研究工作。首先，采用GPU进行波前重构，并利用Zernike多项式八卦限对称性，将数据传输量较少到原来的八分之一。其次，采用FPGA处理哈特曼探测器斜率计算和波前复原等过程，通过单像素流水线方式，斜率计算与哈特曼数据输出同时信息，有效地隐藏了斜率计算时间，使斜率计算和波前复原总延迟小于20微秒。进一步地，研究了多GPU波前重构方法，并使用4个GPU将延迟减小到54微秒，从而满足了液晶自适应光学系统波前处理实时性要求。另外, 验证了linux操作系统实时性完全满足自适应光学系统实时波前处理要求并且采用了多线程技术提高了波前处理机任务执行效率。通过上述研究内容的实施，我们基本解决了液晶自适应波前处理器计算时间慢的问题，扫除了液晶自适应光学系统中存在的瓶颈性障碍，使得其进入工程化应用阶段。