Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU

YANG Leqiang; WANG Jianli; YAO Kainan; LI Hongzhuang; CHEN Lu; SHAO Meng

doi:10.37188/OPE.20223023.3004

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Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU

更新时间：2022-12-20

- Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 23, Pages: 3004-3012(2022)
- 作者机构：
  
  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223023.3004
  CLC： TP394.1;TH691.9
- Received：29 September 2022，
  
  Revised：08 November 2022，
  
  Published：10 December 2022
- 稿件说明：
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杨乐强,王建立,姚凯男等.基于GPU的961单元自适应光学系统波前处理器设计及其动态性能[J].光学精密工程,2022,30(23):3004-3012.

YANG Leqiang,WANG Jianli,YAO Kainan,et al.Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3004-3012.
杨乐强,王建立,姚凯男等.基于GPU的961单元自适应光学系统波前处理器设计及其动态性能[J].光学精密工程,2022,30(23):3004-3012. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3004.

YANG Leqiang,WANG Jianli,YAO Kainan,et al.Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3004-3012. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3004.

摘要

为了满足4 m级地基大口径光学望远镜千单元自适应光学系统的波前处理规模、速度以及控制带宽要求，研究了基于GPU的千单元级自适应光学系统高速波前处理器。介绍了自适应光学系统波前处理方法，并详细论述了基于GPU的波前处理架构的实现与优化方法。最后，通过湍流模拟器进行桌面模拟实验，得到961单元自适应光学系统的动态性能。实验结果表明：基于GPU的961单元自适应光学系统在采样频率为1 500 Hz时，系统0 dB残余误差抑制带宽能够达到100 Hz，满足4 m级地基大口径光学望远镜自适应光学系统的应用需求。

Abstract

In order to meet the wavefront processing scale， speed， and control bandwidth requirements of the thousand-element adaptive optics system of the 4-m-level ground-based large-aperture optical telescope， a GPU-based high-speed wavefront processor for the adaptive optics system is examined. The wavefront processing method of the adaptive optics system is introduced， and the realization and optimization methods of the GPU-based wavefront processing architecture are discussed. A testbed simulation experiment is performed using a turbulence simulator， in order to analyze the dynamic performance of the 961-unit adaptive optics system. The experimental results show that when the sampling frequency of the 961-unit adaptive optics system is 1 500 Hz， the 0 dB residual error rejection bandwidth of the system can reach 100 Hz. This rejection bandwidth value meets the application requirements of the 4-m optical telescope adaptive optics system.

关键词

Keywords

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王建立，陈涛，张景旭，等 . 地基高分辨率光电成像望远镜总体需求及关键技术分析［J］. 光学精密工程， 2008 ， 16 （ 5 ）： 2 - 16 .

WANG J L ， CHEN T ， ZHANG J X ， et al . General requirements and key technologies for the ground-based high resolution EO imaging telescope ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2008 ， 16 （ 5 ）： 2 - 16 . （in Chinese）

林旭东，刘欣悦，王建立，等 . 961单元变形镜研制及性能测试［J］. 光学学报， 2013 ， 33 （ 6 ）： 9 - 14 . doi: 10.3788/AOS201333.0601001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201333.0601001

LIN X D ， LIU X Y ， WANG J L ， et al . Development and performance test of the 961-element deformable mirror ［J］. Acta Optica Sinica ， 2013 ， 33 （ 6 ）： 9 - 14 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS201333.0601001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201333.0601001

MOCCI J ， BUSATO F ， BOMBIERI N ， et al . Efficient implementation of the Shack-Hartmann centroid extraction for edge computing ［J］. Journal of the Optical Society of America A， Optics， Image Science， and Vision ， 2020 ， 37 （ 10 ）： 1548 - 1556 .

贾建禄，赵金宇，王建立，等 . 基于FPGA的自适应光学波前处理算法［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 10 ）： 2580 - 2583 . doi: 10.3788/OPE.20172510.2580 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172510.2580

JIA J L ， ZHAO J Y ， WANG J L ， et al . Adaptive optical wave-front processing algorithm based on FPGA ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2017 ， 25 （ 10 ）： 2580 - 2583 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20172510.2580 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172510.2580

贾建禄，王建立，赵金宇，等 . 基于FPGA的自适应光学系统波前处理机［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 8 ）： 1716 - 1722 .

JIA J L ， WANG J L ， ZHAO J Y ， et al . Adaptive optical wave-front processor based on FPGA ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2011 ， 19 （ 8 ）： 1716 - 1722 . （in Chinese）

陈善球 . 自适应光学高性能实时计算技术研究［D］. 成都：电子科技大学， 2016 .

CHEN SH Q . Research on High Performance and Real-time Computing for Adaptive Optics ［D］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology of China ， 2016 . （in Chinese）

王建立，董玉磊，姚凯男，等 . 349单元自适应光学波前处理器［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1007 - 1013 .

WANG J L ， DONG Y L ， YAO K N ， et al . Three hundred and fourty-nine unit adaptive optical wavefront processor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1007 - 1013 . （in Chinese）

KONG F P ， POLO M C ， LAMBERT A . Centroid estimation for a Shack-Hartmann wavefront sensor based on stream processing ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 23 ）： 6466 - 6475 .

BENDEK E A ， HART M ， POWELL K B ， et al . Status of the 6 .5m MMT Telescope laser adaptive optics system［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 7736 ， Adaptive Optics Systems II， San Diego， California， USA . 2010， 7736 ： 268 - 279 .

DUNCAN T S ， VOAS J K ， EAGER R J ， et al . Low-latency adaptive optical system processing electronics ［C］. Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 4839 ， Adaptive Optical System Technologies II ， Waikoloa ， Hawai'i， USA . 2003 ， 4839 ： 923 - 934 .

ZHANG H ， LJUSIC Z ， HOVEY G ， et al . A high-performance FPGA platform for adaptive optics real-time control ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 8447 ， Adaptive Optics Systems III， Amsterdam， Netherlands . 2012 ， 8447 ： 906 - 915 .

王春鸿 . 61单元自适应光学系统实时波前处理技术研究［D］. 成都：电子科技大学， 2008 . doi: 10.7666/d.D308245 http://dx.doi.org/10.7666/d.D308245

WANG CH H . Research on Real-time Wavefront Processing Technology of 61 -unit Adaptive Optical System ［D］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology of China ， 2008 . （in Chinese） . doi: 10.7666/d.D308245 http://dx.doi.org/10.7666/d.D308245

RAO C H ， ZHU L ， RAO X J ， et al . Instrument description and performance evaluation of a high-order adaptive optics system for the 1 m new vacuum solar telescope at Fuxian solar observatory ［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 2016 ， 833 （ 2 ）： 210 .

KONG L ， ZHU L ， ZHANG L Q ， et al . Real-time controller based on FPGA and DSP for solar ground layer adaptive optics prototype system at 1-m NVST ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2017 ， 9 （ 2 ）： 1 - 11 . doi: 10.1109/JPHOT.2017.2662326 http://dx.doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2662326

LI D Y ， et al . Wavefront processor for liquid crystal adaptive optics system based on Graphics Processing Unit ［J］. Optics Communications ， 2014 ， 316 ： 211 - 216 .

BERNARD J ， PERRET D ， SEVIN A ， et al . Design and performance of a scalable GPU-based AO RTC prototype ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 10703 ， Adaptive Optics Systems VI， Austin， Texas， USA . 2018 ， 10703 ： 1171 - 1181 .

GRATADOUR D ， MORRIS T ， BIASI R ， et al . Prototyping AO RTC using emerging high performance computing technologies with the Green Flash project ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 10703 ， Adaptive Optics Systems VI， Austin， Texas， USA . 2018 ， 10703 ： 404 - 418 .

BASDEN A G ， MYERS R M . The Durham adaptive optics real-time controller： capability and Extremely Large Telescope suitability ［J］. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ， 2012 ， 424 （ 2 ）： 1483 - 1494 .

BITENC U ， BASDEN A ， DIPPER N ， et al . Durham AO real-time controller （DARC） running on graphics processing units （GPUs）［ C］. Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes 4–Conference Proceedings . 2015 ， 1 （ 1 ）.

PERRET D ， LAIN M ， BERNARD J ， et al . Bridging FPGA and GPU technologies for AO real-time control ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 9909 ， Adaptive Optics Systems V， Edinburgh， United Kingdom . 2016 ， 9909 ： 1364 - 1374 .

JENKINS D R ， BASDEN A G ， MYERS R M ， et al . An ELT scale MCAO real-time control prototype using Xeon Phi technologies ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 10703 ， Adaptive Optics Systems VI， Austin， Texas， USA . 2018 ， 10703 ： 419 - 425 .

FERREIRA F ， GRATADOUR D ， SEVIN A ， et al . COMPASS： an efficient GPU-based simulation software for adaptive optics systems ［C］. 2018 International Conference on High Performance Computing & Simulation （HPCS）. Orleans ， France . IEEE ， 2018 ： 180 - 187 .

李新阳，姜文汉 . 自适应光学控制系统的有效带宽分析［J］. 光学学报， 1997 ， 17 （ 12 ）： 1697 - 1702 . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.1997.12.020 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.1997.12.020

LI X Y ， JIANG W H . Effective bandwidth analysis of adaptive optics control system ［J］. Acta Optica Sinica ， 1997 ， 17 （ 12 ）： 1697 - 1702 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.1997.12.020 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.1997.12.020

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