基于FPGA的SPGD自适应光学控制平台研究.pdf

摘 要
基于FPGA 的SPGD 自适应光学控制平台研
究
张超（机械电子工程）
导师：李洪文 研究员
摘 要
在对天文目标进行成像观测时，大气湍流效应会使波动相位发生畸变，并
可能导致相位严重退化，从而给成像带来很大困难。自适应光学系统是通过实
时自动改善光波波前质量实现对光波静态相差和动态相差的校正。随机并行梯
度下降（Stochastic Parallel Gradient Descent: SPGD）算法是近年来发展的一种
新型优化算法，通过对所有变量施加随机扰动来测量各变量梯度估计的梯度下
降算法。它不依赖波前相差检测，而是通过直接优化系统性能评价函数实现对
波前畸变的校正。基于 SPGD 算法的自适应光学系统不仅简化了系统结构，节
约了成本，而且因 SPGD 算法收敛速度快，精度高等优势，使得基于 SPGD 算
法的波前校正技术成为了自适应光学领域的研究热点。
首先，本文对自适应光学原理、发展现状、SPGD AO(自适应光学)系统进行
了阐述，详细介绍了随机并行梯度下降算法的基本原理，并分析了影响 SPGD
算法收敛速度的因素，给出了系统性能评价函数选取的方法及对校正效果的影
响。
其次，基于 SPGD 算法在波前畸变校正上的优势，设计了基于现场可编程
门阵列（FPGA）的自适应光学波前控制平台。设计采用 Altera FPGA 作为算法
控制器，详细介绍了该平台各功能模块的硬件电路设计流程和工作原理，完成
了系统的程序设计和仿真，并给出了各程序设计方法。

关键字：SPGD；自适应光学；FPGA；硬件设计；

I
Abstract
Study of the SPGD Controller Platform of
the AO System based on FPGA
Zhang Chao（Mechatronic Engineering）
Directed by Prof. Li Hong-wen
Abstract
On the imaging observations of astronomical object, atmospheric turbulence
causes the wave phase distortion, and can lead to serious phase degradation, which
brings great difficulties to the imaging. The adaptive optics system is correcting the
static and dynamic wave front aberration, through the real-time and automatic
improvement of light wave front quality. The stochastic parallel gradient descent
(Stochastic Parallel Gradient Descent: SPGD) algorithm is a new optimization
algorithm developed in recent years, by applying the stochastic disturbance on all
variables to measure the estimates of gradient for each variables. It does not depend
on the wave front aberration d