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作为自适应光学系统枢纽的波前处理机，其实时性、稳定性、灵活性等性能对自适应光学系统的整体性能有较大的影响，设计一种具有较高性价比的并行波前处理机以及波前信号处理的性能评价模型是本文的主旨所在。
论文在简要介绍自适应光学系统的基本理论、波前信号处理的基本算法、并行计算机设计的基础上，针对波前信号处理的计算特点，设计了一种通用的波前处理机性能评价模型，然后根据并行处理机设计的流程进行了波前处理机的并行算法、网络结构和硬件平台的设计及实现。
波前信号处理属于一种特殊的信号处理流程，具有最大执行时间受限、信号处理具有顺序性、数据仅在两相邻节点间流动，各节点倍增率不同的特点。针对这些特点，本文从加速比、并行效率以及可扩性三个方面设计了波前处理机的性能平均模型。针对波前信号处理具有顺序性、最大执行时间受限的特点，本文引入了时间并行流水线算法对波前处理机加速比的贡献，设计了基于固截至时间的加速比模型；针对各节点信号处理倍增度不同的特点，设计了基于累积效应的并行效率模型；针对波前处理机最关心的实时性和资源耗费两个问题，设计了基于等计算延迟的可扩性模型和资源耗费可扩性模型。
本文遵循并行处理机设计的流程，在分析波前处理机各节点并发性的基础上，进行了多种并行算法设计，并根据这些并行算法构建出三种实时性较好的网络结构，利用前面设计的性能模型对这些网格结构进行性能评价后，给出了不同自适应光学规模下的最优网络结构，结合我国目前自适应光学单元数较少的现状，选择了菱形线性阵列这一性价比较高的模型作为后续波前处理机实现的网络结构。
本文第六章利用菱形线性阵列结构设计了波前处理机的硬件平台，并针对光电探测器多通道输出的特点，将菱形线性阵列改进成二叉树线性阵列并成功运用在127单元自适应光学系统中，取得了接近理论极限的加速比。
本文首次提出了针对并行波前信号处理的性能评价模型，并利用该性能评价模型的评价结果设计出了一种基于菱形线性阵列的波前处理机，取得了接近理论极限的加速比。