自适应光学源于天文学研究的需求，经过三十多年的发展，还成功地应用于空间光通讯、激光核聚变、眼底成像等众多领域。夏克一哈特曼波前传感器是在自适应光学系统中获得广泛应用的波前传感器，通常由微透镜和光电传感器组成，通过计算信标图像相对原来位置的偏移量来完成波前探测任务。为了获得更高的波前探测空间分辨率，波前传感器的子孔径的数目越来越多，导致需要实时处理的数据量剧增。同时，随着系统所应用场合的改变，夏克一哈特曼波前传感器的信标图像也会发生变化，从光斑形状的点源信标到任意场景的扩展信标。海量数据的实时处理和多变的信标图像都给光波波前的实时探测造成了巨大的困难。针对此问题本文根据波前探测信标的不同成像特点，从波前信标提取和波前斜率计算两个阶段出发，对自适应光学波前实时探测方法和处理技术进行了深入的研究，旨在提高系统的性能。　　 本文对自适应光学信标的特点和噪声分布情况进行了分析，提出了一种基于灰度梯度的双阈值图像分割方法，在多个成像阶段实现了自适应光学波前信标的提取，并通过仿真及实验证明了该方法的有效性，对于点源信标，该算法能够稳定准确地检测到信标位置，而对于扩展信标，该算法能够进行较完整的目标分割，用于后续的目标检测与识别。　　 在点源信标自适应光学波前斜率计算方法的研究上，提出了一种无需乘法运算的质心算法。质心运算中坐标与像素灰度值的乘积可以通过像素灰度值的多次累加得到，因此该算法通过把二维图像矩的计算分解为两次级联的一维矩运算，并用递推累加的方式实现质心运算所需的低阶矩求解。并以此为基本运算核心，设计了基于累加器的波前斜率处理器，在仿真实验平台上进行了验证，与传统的基于乘法器的波前斜率处理器相比，该结构所消耗的逻辑资源减少为原来的60％左右，能够在不增加额外资源的情况下对原波前斜率处理器进行升级，使其支持的子孔径数目增加一倍左右，实现波前斜率的高速、高精度提取。　　 针对在低信噪比情况下点源信标自适应光学波前斜率计算问题，提出了一种基于高斯参考光斑的相关夏克-哈他们波前斜率处理方法及其硬件实现结构，并详细介绍了关键模块的设计过程。该处理器的硬件资源消耗不会随着子孔径数目的增加而显著增大，在超大规模低信噪比自适应光学波前实时探测中更具优势。　　 在低对比度扩展信标的波前探测研究上，从绝对差分的定义出发，结合FIR滤波器原理，设计并实现了一种新型的绝对差分波前斜率处理器。该处理器的硬件资源消耗主要取决于参考模板的尺寸，与子孔径的分辨率和子孔径的个数无关，特别适合超高分辨率太阳自适应光学系统波前实时探测领域。　　 针对具有形状特征的扩展信标自适应光学波前整体倾斜探测的问题，以目标的形状为基础，对局部不变特征的提取和描述算法进行改进，提出了一种基于几何特征点的跟踪算法。通过引入了尺度、距离等多重判据进行形似度比较，克服仅采用局部特征描述子作为单一判据的不稳定性，提高了特征描述子的匹配精度。特征描述子更新策略能够去除个别像素突变帧图像的影响，提高了跟踪的稳定性。仿真实验验证了基于几何特征点的跟踪算法对姿态变化的扩展目标局部跟踪更加准确、稳定。　　 在对具有形状的扩展信标自适应光学高阶像差探测的研究上，针对扩展相位相关法的边界效应问题，以图像的Harris角点量为基础，提出了一种改进的扩展相位相关亚像素级图像配准方法。仿真实验的结果表明：该算法的精度比改进之前有了很大的提高。此外，还具有很好的并行性，便于硬件实现以满足自适应光学系统的实时要求。