多通道像素并行输出哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构设计.pdf

《多通道像素并行输出哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、嚏木探讨·应用技术与研究多通道像素并行输出哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构设计宋璐1王少白2(1．河南科技大学，河南洛阳471023；2．中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471009)[摘要]基于可编程逻辑器件，设计了一种针对横向多通道像素并行输出特点的哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构。该架构由乘法器单元、累加单元和除法单元组成，各个单元内运算器的数目可根据输出通道数和输出像素顺序自由配置。对于一帧图像的质心运算，经过该架构处理后延时仅为对最后输出的一个像素处理所需时间。

2、仿真结果表明，对于以80MHz的时钟频率，横向8个像素并行输出的哈特曼波前传感器，其运算延时不超过o．5“s。[关键词]质心运算；并行像素输出；可编程逻辑器件；哈特曼波前传感器中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1008。6609(2016)04．0069-03l引言哈特曼波前传感器是自适应光学系统中最广泛使用的波前传感器。在基于哈特曼波前传感器的波前复原运算中，首先要计算波前斜率，而计算波前斜率的关键步骤就是质心运算。目前针对于哈特曼波前传感器的质心运算多通过在可编程逻辑器件中建立流水线架构

3、实现，但是目前仅见到针对单个像素顺序输出的探测器设计运算流水线结构n』，不能适用于在一个像素时钟内通过多个通道并行输出一行内相邻多个像素的焦平面阵列探测器，需要开发新的流水线架构以适应这一要求。2哈特曼．夏克波前传感器概述哈特曼波前传感器工作原理是利用一个微透镜阵列将波前分割成许多个局部波前，然后在微透镜阵列焦平面上放置焦平面阵列探测器，从而通过光电转换，将聚焦后的入射波前以光斑图像的形式输出，再进一步通过对图像进行处理获得波前信息。工作原理示意如图l所示M。图1哈特曼波前传感器原理根据微透镜阵列每个孔

4、径位置，在探测器靶面上划分对应每个子孔径的区域。对于理想的平面波，成像光斑将落在每个子孔径对应区域的中心，而当波前发生畸变时，光斑中心位置相对于区域中心会产生一定的偏差。通过探测这些偏差，进一步即可获得对应每个子孔径的波前斜率，再通过波前复原矩阵运算可以求得完整的波前信息。计算光斑质心位置的最常用算法是一阶矩质心算法，如公式(1)所示。∑置虬∑y．虬t={r一，儿={jr一(I)∑虬∑％上式中，子孔径在探测器上的对应区域为L×M，i-l~M，j=l—N，xi，yj分别表示像素(i，j)的坐标，N¨代表灰

5、度值。该算法运算简单，x和Y方向质心运算互不耦合，目前应用最为广泛。计算得到质心位置后，可通过公式(2)计算子孔径斜率：铲争=芋怫=等=宁㈤(】【0B，y曲表示第n个子孔径的理想波前光斑的中心，‰，y。)表示实际波前计算得到的质心位置，f是透镜阵列焦距。3实时质心运算流水线结构设计本文设计的实时质心运算流水线结构如图2所示：作者简介：宋璐，女，河南洛阳人。硕士。助教，研究方向：数字逻辑电路的应用设计和教学。．69．鸯木探讨·应用技术与研究图2实时质心运算流水线结构由于x和Y方向质心运算的对称性，除了像素

6、地址和控制信号的差异。x和Y方向具有相同的运算结构，且其中乘法器组单元、累加单元等组成部分的结构也相同，因此该流水线结构具有良好的可实施性和维护性。为了实现x方向和Y方向的乘法运算后的结果累加，分别设置了两个累加单元，其中累加单元l用于完成子孔径序号为奇数值的子孔径内结果累加，同时累加单元0用于偶数序号的子孔径累加。这样设计的目的是当同时输出的多个像素分别属于不同的子孔径时，也能同时完成对应不同子孔径结果的累加且不会引入额外的延时。乘法器组单元的结构在图3中给出，其包括若干个并行的乘法器，乘法器的数目与

7、探测器并行输出像素的通道数保持一致，可以同时完成所有并行输出像素值和像素地址的对应乘法运算。70．图3乘法器组结构示意图累加单元的结构如图4所示，图中的像素输出通道数为8。在运算过程中，子孔径的奇偶标志作为每个像素对应的控制字中的1个bit，当该像素属于一个奇数序号的子孔径时，该bit值为1，反之则为0。当乘法运算后的结果到达累加单元1后，首先与子孔径奇偶标志相与后才继续进行累加操作。对于累加单元2，首先对子孔径奇偶标志取反后再与乘法结果相与。这一操作的目的是保证当前并行输出的多个像素值即使对应两个不同

8、的子孔径，也能够同时完成累加操作而不会产生混乱。对于不同的输出通道数，倒金字塔结构加法器组的层数可以确定为l092(N)，N表示大于输出通道数M，且可表示为N=2k最小的正整数，其中k为整数。图4累加单元结构示意图由于单个子孔径在一个方向上通常都包括数十个像素，因此一个子孔径的一行可能需要若干个时钟来完成输出，因此在累加单元的最后采用了一个累加器来实现对应当前子孔径的一行像素运算结果的累加。当前像素行结果累加完成后，结果会暂存在一块双口蝴中