2024年4月28日发(作者：oppor15手机多少钱)

第９卷　第６期　

２０１　１年１２月　

信　息　与　电　子　工　程　

ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　

ＶＯ１．９．ＮＯ．６　

Ｄｅｅ．．２０１ｌ　

文章编号：１６７２。２８９２（２０１１）０６－０７８６—０４　

大型激光装置光路准直并行控制模型设计　

虢仲平，唐　钟　

（中国工程物理研究院计算机应用研究所，四川绵阳６２１９００）　

摘　要：大型激光装置中的光路准直部分涉及大量的精密控制检测设备元器件，对控制的可　

靠性和控制时间有极高的要求。本文就多光束准直的并行化设计进行了详细阐述，完整地给出了　

大型激光装置并行光路准直在软硬件中的解决方案，包含总体控制结构、运动控制、图像采集和　

处理等并行化处理和设计。该模型在光学实验平台上得到了很好的验证和应用，为即将开展的准　

直控制流程、图像处理以及运动控制并行算法在激光装置光路准直工程中的实现提供了技术支持　

和保障。　

关键词：光路准直；并行；控制模型　

中图分类号：ＴＮ２４７；ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｂｅａｍ　ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　

ｓｃａｌｅ　ｌａｓｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　

ＧＵＯ　Ｚｈｏｎｇ—ｐｉｎｇ，ＴＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｌａｓｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　

ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｉｎ　ｉｔ．Ｔｈｉｓ　

ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｔｃ．Ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，　

ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｍ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ；ｐａｒａｌｌｅｌ；ｃｏｎｔｒｏ１　ｍｏｄｅｌ　

大型激光装置光路准直系统是在装置运行发射前快速、自动地完成装置多束（４８束）激光的光路准直，确保存　

装置打靶运行发射时光路的畅通，并确保输出光束指向满足各类物理实验对打靶精确度的基本要求…。本文就光　

路准直控制模型进行了详细分析、设计，给出了大型激光装置光路准直的并行控制模型，并在光学实验平台上得　

到验证和应用。　

１　光路准直控制系统结构　

设计的光路总数为４８路，分为６个束组，每个束组包含８路光。光路准直系统控制结构如图１，每个束组　

包含８路光，其中隐含了准直控制硬件、软件控制模型。　

２　光路准直并行控制模型设计　

为使光路准直能在装置多光束环境下自动、并行运行，需在该控制系统硬件设计、软件设计及程序运行设计　

上分别满足并行运行的基本条件。激光装置的光学设计和布局　，使得６个束组在光路调整时相互独立和无关，　

在每个束组内，提供了每条光路在准直时是相互无关和独立的　。因此，物理上的光学设计和准直控制流程为　

多束光路准直的计算机并行运行提供了最基本的并行条件　。下面就基于在这种条件下，如何使得光路准直能　

收稿日期：２０１０—１１－１２；修回日期：２０１１—０３—０３　

基金项目：同家“８６３”高技术研究发展计划基金资助项目（２００５ＡＡ８４５１１０）　

第６期　虢仲平等：大型激光装置光路准直并行控制模型设计　７８７　

够在控制系统中实现并行控制进行　

分析和设计【６～ｌ。　

为达到控制系统在硬件设计上　

并行光路准直的实现环境，需要解决　

运动控制的并行运行，图像的并行采　

集和传输，可提供并行处理的计算机　

及并行软件３部分设计。　

２．１运动控制　

光路自动准直电控系统硬件采　

用ＦＣＳ（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）控制　

方式，将运动控制、图像采集等设备　

灵活地接入控制系统中，由控制服务　

系统、运动控制器、步进电机驱动器、　

步进电机等组成运动控制硬件系统【９］。　

在这种针对光路元器件所采用的控　

制系统硬件设计中，每个束组独立自　

行ｆ每路可独立完成４‘个电机同时运　一ｉ　１　Ｉ　

…　

；　

・

…　

；　

－

…　

Ｌ一　

。　

一．　

。　ｍ　

行），同时又满足了激光装置的分束　

组、分光束独立控制的要求。　

运动控制所采用的并行模型如　

图２所示。图２所包含的控制意义在　

。　

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１

ｌ荇ＤＵｎⅡＪｅ　

　ｂ　ｄ１。　

６　ｂｕｎｌ…ｌｌｌ￣　

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１Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｂｅａｍ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｖｓｔｅｍ　

图１光路准直系统控制结构　

于：可以在任何时间ｔ，确保６个束组中任意一个光路上的４个电机同时运行，这为装置的光路准直并行控制在　

电机控制方面提供了实际可并行的前提，因为对于任何光路的控制而言，每个时间ｔ时，最多只需４个电机同时　

运行。　

…　

８　ｂｅａｍ　４１＃ｂｅａｍ　…

６＃ｂｕｎｄｌｅ　

４８＃ｂｅａｍ　

ｌ＃ｂｕｎｄｌｅ　

Ｆｉｇ．２　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

图２光路准直运动控制并行模型　

２．２图像采集的并行处理　

依据准直控制的需求和方法，达到并行控制的一路光路准直控制所要求的最大ＣＣＤ图像数目是２幅（远场、　

近场各１幅），对应１个束组的最大图像数目为１６幅，对应６个束组的最大图像数目为９６幅，图像数据的采集　

模型如图３所示。　

７８８　信息与电子工程　

ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｕｎｉｔ　

第９卷　

ｐａｒａｌｌｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｒｅｔｕｒｎ　ｉｍａｇｅｓ　

回　～回圉园回　

回回回一回囤酉团　

回圆回回回翰阿一　

回囡回国囤～　团　

吕　

酋面　

回回

固　图　

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冒　昌　

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图　

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回　

４８＃ｂｅａｍ　

…　回　图　

画固酉回囤囱回　

回回～回国一囤园回　

Ｆｉｇ．３　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　

图３光路准直图像采集并行模型　

图３所包含的控制意义与运动控制相同，即可以在任何时间ｆ，确保６个束组中任意１个光路上的２个ＣＣＤ　

可以同时进行采集控制，这为装置的光路准直并行控制在ＣＣＤ控制方面提供了实际可并行的前提，因为对于任　

何光路的控制而言，每个时间，时，最多只需２个ＣＣＤ同时运行。　

针对９６幅图像数据的并行处理，则可采用多机（多ＣＰＵ）多幅处理和单机多幅处理２种方法。其图像处理并　

行模型如图４所示，表示的图像并行处理意义在于：使用多线程技术，使每个线程对应每个光路的图像处理；另　

外，也可理解为把多个线程分配给多个计算机。　

回回囤囵固罔酉　

面回酉回回囡囫　

回　一回回国团　

８　ｂｅａｍ　４１＃ｂｅａｍ　

Ｂｎ—ｎｅａｒ／ｆｒ　ａｉｅｌｆｄ　ＣＣＤ　ｉｍａｇｅ　

Ｆｉｇ．４　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　

图４光路准直图像处理并行模型　

２．３并行处理的计算机系统及并行控制软件设计　

在完成对光路准直硬件并行化控制和软件并行操作设计后，则需要有支持应用软件并行操作的操作系统，当　

无法提供多ＣＰＵ的计算机和并行操作系统时，可使用多台高性能工业控制机，将光路准直任务按束组或光路分　

配给不同的计算机，以期实现多光路的并行执行ＬＪ…。　

并行控制软件能独立完成各个不同光路的准直处理活动，准直控制要达到多路并行控制，在运动控制和图像　

采集满足准直并行设计要求后，最后的必要条件则是能提供并行处理能力和计算速度的计算机，原因是最大可能　

需要同时处理９６幅图像数据。　

设计的　路准直运动控制结构、图像采集及控制流程，已能够为准直的全过程、光路、光束的并行处理提供　

物理条件。设定每个光路在任一流程控制的一个动作中，所涉及的ＣＣＤ数不大于２台，涉及的电机数目不大于　

４个，则其处理过程是串行的过程，这些处理过程和方法，对所有光路几乎是一样的。这种情况下，所谓的并行　

控制则体现在多电机（４个）的运动控制、多（２幅）图像的处理上。因此，本文所定义和实现的光路准直并行处理为：　

同时调整不同光路的多个准直电机运行，同时采集不同光路的多幅图像数据，同时处理不同光路的多个图像数据，　

同时为不同的光路发送不同的命令控制。　

光路准直系统并行控制软件由３层组成，分别是现场控制层、集成服务层和集中控制层。现场控制层由６　

套现场控制软件组成，每套现场控制软件对应实现与本束组被控设备的通信控制；集成服务层由６套集成服务软　

件组成，实现现场控制层６套软件的集中管理，并为集中控制层、装置其他系统提供通信管理接口；集中控制层　

由１套集中控制软件组成，为用户提供操作界面，实现准直系统所有设备的集中控制。现场控制层、集成服务层　

第６期　虢仲平等：大型激光装置光路准直并行控制模型设计　７８９　

和集中控制层之间的通信通过跨平台的ＣＯＲＢＡ实现。光路准直系统并行控制软件层次模型如图５所示。　

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｙｅｒ　

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌａｙｅｒ　

ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ（ＣＣＤ，ｍｏｔｏｒ）　

Ｆｉｇ．５　Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　

图５光路准直控制软件层次模型图　

光路准直系统集中控制软件根据设计模型及工作流程，组合集成服务软件提供的接口，并通过集成服务软件，　

完成相关流程的控制操作，实现光路自动准直的集中控制。６套集成服务软件分别集成了６个束组现场控制软件　

的所有通信控制接口，为准直系统集中控制软件以及为装置的其他系统提供通信管理接口。现场控制软件根据　

ＣＣＤ、运动控制器各部分提供的基本功能，实现功能初步集成，完成对相应束组设备参数的设置及控制。光路准　

直系统控制软件与数据库的数据交互由集成服务层和集中控制层实现。　

３　结论　

本文设计并给出了适合大型激光装置准直控制的并行控制模型，并就光路准直控制模型进行了详细分析，该　

模型在光学实验平台上得到了很好的应用，获得了大量有益的实验数据，为即将开展的准直控制流程、图像处理　

及运动控制并行算法的工程实现提供了基础。　

参考文献：　

［１］Ｈｏｌｄｅｎｅｒ　Ｆ　Ｒ，Ａｂｌｅｓ　Ｅ，Ｂｌｉｓｓ　Ｅ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｂｅａｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＮＩＦ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｓｐａｔｉａｌ　ｆｉｌｔｅｒ［Ｃ］Ｈ　Ｐｒｏｃ　

ｏｆ　ＳＰＩＥ．Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ：［ｓ．ｎ．］，１　９９７：６９２－６９９．　

［２】　吕凤年，刘代中，旭仁芳，等．图像处理在光路自动准直系统中的应用［Ｊ］．光学技术，２００５，３（３）：７２—７４．　

［３］　陈庆浩，徐仁芳，彭增云，等．用于激光核聚变装置的光路自动准直［Ｊ］．光学学报，１９９５，１５（５）：５３１－５３３．　

［４】　刘代中，朱健强，徐仁芳，等．４程放大光路自动准直系统研究［Ｊ］＿强激光与粒子束，２００４，１６（５）：５８２—５８６．　

［５］　翟学锋，王国富，达争尚．神光ＩＩＩ　３　光路自动准直系统设计【Ｊ］．应用光学，２００７，２８（２）：１７７—１８０．　

【６］　Ｋｉｒｂｙ　Ｗ　Ｆ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｅｎａｂｌｅ　ＮＩＦ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．ＣＡ：Ｌａｗｒａｎｃｅ　Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ　Ｎａｔｉｏｎ　Ｌａｂｏｅｔｏｒｙ，ＵＣＲＬ－　

．

ＪＣ一１４３３１７，２００１．　

［７］　Ｖａｎ　Ａｒｓｄａｌｌ　Ｐ　Ｊ，Ｂｒｙａｎｔ　Ｒ，Ｃａｒｅｙ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｆａｃｉｌｉｔｙ：Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｒ】　

ＣＡ：Ｌａｗｒａｎｃｅ　Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ　Ｎａｔｉｏｎ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＵＣＲＬ－ＩＤ一１５２８３２，２００３．　

【８】　Ｆａｙａｄ　Ｍ，ＳｃｈｍｉｄｔＤ，ＪｎｈｎｓｏｎＲ　Ｅ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ：０ｂｊｅｃｔ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．　

Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ：Ｊｏｈｍ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ　Ｌｔｄ，１　９９９．　

【９］　张广法，唐钟，谢阅．基于ＰＲＯＦＩＮＥＴ的网络通讯系统ＩＪ１．信息与电子工程，２００９，７（２）：１６４—１６７．　

［１０］　谢阅，唐钟，虢仲平．光路自动准直中腔镜及反射镜控制算法［ＪＪ．信息与电子工程，２０１０，８（１）：１１１－１１３．　

作者简介：　

虢仲平（１９６４一），男，北京市人，研究员，　

唐钟（１９７９一），男，四川省绵阳市人，硕士，　

研究方向为嵌入式控制及计算机技术与应用　

工程师，主要研究方向为智能控制及计算机软件　

等．ｅｍａｉｌ：ｚｐｇ＠ｃａｅｐ，ａｃ．ｃｎ．　

与应用等．