一种基于RTAI实时操作系统的相关跟踪处理机.pdf

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1、Vol．8No.3天文研究与技术第8卷第3期Jul．，2011ASTRONOMICALRESEARCH＆TECHNOLOGY2011年7月CN53－1189/PISSN1672－7673*一种基于RTAI实时操作系统的相关跟踪处理机1，2，3，41，21，23杨靖文，陈善球，饶长辉，熊耀恒(1．中国科学院光电技术研究所自适应光学研究室，四川成都610209;2．中国科学院自适应光学重点实验室，四川成都610209;3．中国科学院云南天文台，云南昆明650011;4．中国科学院研究生院，北京100049)摘要:引入倾斜校正自适应光学技术到月球激光测距中，详细介绍了

2、倾斜校正自适应光学的相关跟踪原理，给出了一种基于实时操作系统RTAI的相关跟踪波前处理机的设计结果。该波前处理机采用绝对差分算法，使用通用CPU，基于Linux硬实时扩展系统RTAI实现对波前的实时处理。实验结果证明，它的相关跟踪处理帧频为1KHz，并且具有集成度高、升级性能强、扩展性能好的特点。关键词:月球激光测距;RTAI;扩展目标;绝对差分算法中图分类号:TP751.1文献标识码:A文章编号:1672－7673(2011)03－0285－08月球激光测距中，为消除大气湍流带来的扰动，引入自适应光学系统，利用月球表面环形山等低［1］［2］对比度扩展源目标，采

3、用绝对差分算法或者互相关算法，在大气湍流的冻结时间(2～5ms)内，完成对大气湍流引起的波前倾斜量误差的实时补偿。由于需要在较短的时间内完成大量复杂的运算，因此，对相关跟踪处理机的设计和实现带来了很大的困难。倾斜校正自适应光学系统，由倾斜跟踪探测器、相关跟踪处理机和倾斜探测校正器组成。其中倾斜跟踪探测器负责实时测量入射光的波前倾斜量，倾斜探测校正器(通常为倾斜镜)负责实时补偿入射光的波前像差，相关跟踪处理机则负责完成波前信息处理和波前校正器控制量的计算，是大气倾斜量实时补偿自适应光学系统控制和运算的核心。目前国内外研制最成熟、应用最广泛的处理机，即基于FPGA+

4、DSP和基于全FPGA的处理［3－4］机。随着实时操作系统的到来，通用CPU硬件平台上利用硬实时操作系统RTOS(Real-TimeOperatingSystem)满足相关跟踪处理机的实时性要求，已成为现实并得以广泛应用;基于通用CPU+RTOS的波前处理机的研究是近几年的热点，主［5－8］要在欧美发达国家开展。相对于没有操作系统支持的基于FPGA+DSP和基于全FPGA的波前图1相关跟踪系统处理机，此类处理机利用通用CPU和实时操作系Fig.1Correlationtrackingsystem统完成实时运算不需要定制硬件，有着更强的扩［9］展性、通用性，更高的

5、标准化程度，更短的开发周期，已广泛应用于各种控制领域。2003年，美国McMath-pierce太阳塔1.5m望远镜，KellerCU设计了一套基于PC机和Linux2.4内核的波前处理［10］机。CPU性能的飞速发展，使利用通用CPU和实时程序完成1000Hz频率的相关跟踪处理成为可能，本文提出一种在通用CPU平台上实现高速相关跟踪处理(图1)的方法，并且分析了在该平台上*基金项目:国家自然科学基金(10803019)资助．收稿日期:2010－05－26;修定日期:2010－06－04作者简介:杨靖文，女，硕士，研究方向:天文技术与方法，Email:jwyan

6、g@aiofm.ac.cn286天文研究与技术8卷［11］影响系统延迟的主要因素，该系统主要是利用Linux的硬实时扩展系统RTAI，它在实现硬实时处理的同时，更兼有集成度高、升级性能强、扩展性能好的优点。1相关跟踪算法在自适应光学技术中，从低对比度扩展源目标中探测波前倾斜量的要求源于高分辨率的观测。激光测月时，结合从月球表面探测波前倾斜的实际要求，主要有绝对差分算法和互相关算法，但它们的运算量相对传统自适应光学系统的质心算法大得多，因此对处理机提出了更高的要求。本处理机采用运算量较小的绝对差分运算，基于Linux+RTAI双内核系统。相对而言，采用绝对差分算法

7、系统只使用了最基本的加减运算，未涉及延迟较大的乘法，运算量相对较小。绝对差分算法的数学表达式:M－1M－1D(δx，δy)=∑∑IR(x+δx，y+δy)－IL(x，y)(1)x=0y=0其中IL为模板图像，大小为M×M;IR为目标图像，大小为N×N，M＜N。实际系统中模板大小为32pix×32pix，目标大小为64pix×64pix。D(δx，δy)是在目标图像内大小为M×M，左上角坐标为(δx，δy)的区域的绝对差分结果。22通过M(N－M+1)次运算，从目标图像中找出和模板图像相似度最高的区域D(δx，δy)。再使［12］用二次插值法能以亚像素的精度求出绝

8、对差分值为极小值时对应的