CN103678515A - 空间站可扩展和海量遥感信息处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种空间站可扩展和海量遥感信息处理系统包括：三类通用遥感数据接口、大容量高速数据缓存DDR2、图像处理控制反熔丝FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM、压缩处理芯片、图像处理模块运行参数存储EEPROM、高速背板、编码控制反熔丝FPGA、系统控制参数存储EEPROM和编码处理芯片；本发明的图像信息处理系统具有可扩展性，能够实时处理空间站不同载荷输出的海量遥感图像。
Description
技术领域
本发明涉及遥感信息处理，特别是空间站可扩展和海量遥感信息处理系统。
背景技术
载人空间站可以搭载多个遥感光学有效载荷，开展空间天文观测、对地观测和先进的空间光学实验。这些有效载荷涉及可见光、微光、热红外、太赫兹等多种成像方式，具有多谱段、高角分辨率、高空间分辨率、高灵敏度等特点。与此同时，获取的不同数据类型、海量遥感数据给遥感信息处理系统设计带来了极大的挑战。针对空间站的一些特定需求，需要在轨进行一些实时化、智能化的处理。我国目前的卫星图像处理工作都是由地面图像处理系统完成的，只对地面站接收到的原始数据进行处理，在星上压缩之前未做任何处理。因此从目前在轨遥感器应用情况来看，单纯的依靠地面处理不能完全解决存在的问题，迫切需要研制具有预识别、预处理等能力的智能数据处理方法，这对于星上改善和提高遥感图像质量具有举足轻重的作用。
现有的星载遥感信息处理系统的不足之处：
（1）处理功能比较单一。目前我国在轨的遥感信息处理系统处理功能仅限于压缩和简单的辐射校正。而国外很多遥感器已经具有一定的智能化处理水平，包括一定的信息识别和提取能力。
（2）处理能力有限。受制于遥感器整体研制能力的限制，国内现有的遥感器在轨处理能力还比较有限，以压缩为例，美国的GeoEye系列遥感器压缩后的数据码率可以达到1.6Gbps，能够支持无损压缩、准无损压缩和直通的方式。其实时处理的能力与国内相比有较明显的优势。
（3）系统处理扩展性差。现有的遥感信息处理系统，大多是为单一的遥感器而设计的，不能处理不同类别的图像数据，难以满足空间站多载荷遥感数据的处理要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间站可扩展、海量遥感信息处理系统，能够实时处理空间站不同载荷输出的海量遥感图像，且具有可扩展性。
本发明的技术解决方案是：空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，包括：三类通用遥感数据接口、大容量高速数据缓存DDR2、图像处理控制反熔丝FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM、压缩处理芯片、图像处理模块运行参数存储EEPROM、高速背板、编码控制反熔丝FPGA、系统控制参数存储EEPROM和编码处理芯片；
三类通用遥感数据接口，配置三类通用遥感数据接口即高速数据接口、中速数据接口和低速数据接口，接收空间站多个不同遥感载荷输出的图像数据；
大容量高速数据缓存DDR2，用于图像处理模块SRAM型FPGA运行中遥感图像数据的缓存；
图像处理控制反熔丝FPGA，用于系统的逻辑控制；根据系统输入指令的要求，完成从图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM或图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM中读取图像处理模块SRAM型FPGA的配置数据，并对图像处理模块SRAM型FPGA进行配置；系统上电后对压缩处理芯片进行初始化配置，待压缩处理芯片配置成功后，将接收到的遥感图像数据输入到压缩处理芯片进行压缩处理，并接收压缩处理芯片输出的压缩图像数据并通过高速背板输出给编码控制反熔丝FPGA；
图像处理模块SRAM型FPGA，用于对输入图像数据的算法处理；接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，读取图像处理模块运行参数存储EEPROM中存储的参数，完成对输入图像数据的图像处理，并将图像处理过程中产生的中间数据存入DDR2存储；将经过处理的图像数据通过高速背板输出给图像处理控制反熔丝FPGA；
编码控制反熔丝FPGA，用于完成图像数据的编码控制；系统上电工作后，读取系统控制参数存储EEPROM中存储的系统工作参数；对编码处理芯片进行初始化配置，待编码处理芯片配置成功后，将接收到的图像数据输入编码处理芯片进行编码处理并将编码后的数据通过数传接口传输出去；
编码处理芯片，用于完成对输出数据的编码处理；编码处理芯片初始化配置成功后，接收编码控制反熔丝FPGA输出的图像数据，按照编码协议要求，对图像数据进行编码处理，并将经过编码处理后的数据输出到编码控制反熔丝FPGA；
压缩处理芯片，用于完成输入图像的压缩处理；压缩芯片初始化配置成功后，接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，按照系统设定的压缩倍率要求，完成图像的压缩处理，并将压缩后的图像数据发送给图像处理控制反熔丝FPGA；
图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM，用于存储图像处理模块SRAM型FPGA的配置程序版本1；
图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM，用于存储图像处理模块SRAM型FPGA的配置程序版本2；
图像处理模块运行参数存储EEPROM，用于存储图像处理过程中的参数；
系统控制参数存储EEPROM，用于存储系统的工作参数；
高速背板，用于电路板之间的高速信号传输；接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，并输出到编码控制反熔丝FPGA。
系统处理功能可扩展；系统根据空间站不同遥感载荷类型输出的数据，给图像处理模块SRAM型FPGA配置不同的处理算法，完成不同类型图像数据的实时处理；
所述三类通用遥感数据接口中高速率数据接口采用基于8b/10bSerDes架构的串行传输方式，支持速率为1.6Gbps～2.5Gbps；中速率数据接口采用并行时钟SerDes LVDS并行传输方式，支持速率为200Mbps～1.6Gbps；低速率数据接口采用LVDS传输方式，支持速率为200Mbps以下的数据传输；
所述大容量高速数据缓存DDR2为4个；
所述压缩处理芯片中支持输入图像的位数为8比特、10比特和12比特，该芯片可支持图像的无损和视觉近无损压缩，且近无损压缩倍率可支持2倍、4倍和8倍压缩。
所述编码处理芯片为SpaceWire协议芯片，该芯片支持数据按照SpaceWire协议进行数据传输。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明能够实时处理空间站不同载荷输出的海量遥感图像。通过配置有高速缓存，可实现数据的高速存储处理；通过采用多片压缩芯片，提高系统的吞吐能力；实现不同输载荷输出数据的实时处理。
（2）系统图像处理模块SRAM型FPGA可在线更新配置。通过地面遥控指令，用户可根据需要处理的图像类型，给图像处理模块SRAM型FPGA配置不同的图像处理程序，完成不同载荷类型输出图像的图像处理，具有可扩展性。
（3）系统信息处理能力大幅提升。系统配置有大容量的存储，可以满足空间站大数据量图像处理存储的需求；系统采用专用压缩芯片实现图像的压缩，根据处理要求可支持图像数据的无损压缩、近无损压缩和直通三种模式；系统支持图像数据的SpaceWire网络传输。
附图说明
图1为本发明系统组成框图；
图2为本发明系统处理流程图；
图3为本发明图像处理模块SRAM型FPGA配置流程图；
图4为本发明图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM更新流程图；
图5为本发明压缩处理芯片的初始化配置流程图；
图6为本发明编码芯片编码发送流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明系统组成框图。该系统电路包括反熔丝类型FPGA2个、SRAM型FPGA1个、高速数据接口1个、中速数据接口1个和低速数据接口1个、只读存储PROM1个、读写存储EEPROM3个、高速DDR2存储4个、压缩处理芯片2个、编码处理芯片1个。反熔丝FPGA分为图像处理控制反熔丝FPGA和编码控制反熔丝FPGA。读写存储EEPROM分为图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM、图像处理模块运行参数存储EEPROM和系统控制参数存储EEPROM。
图像处理控制反熔丝FPGA与高速数据接口、中速数据接口、低速数据接口单向连接；图像处理控制反熔丝FPGA与图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM双向连接；图像处理控制反熔丝FPGA与图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM双向连接；图像处理控制反熔丝FPGA与压缩处理芯片双向连接；图像处理控制反熔丝FPGA与图像处理模块SRAM型FPGA双向连接；图像处理控制反熔丝FPGA与高速背板双向连接。
编码控制反熔丝FPGA与编码处理芯片双向连接；编码控制反熔丝FPGA与系统控制参数存储EEPROM双向连接；编码控制反熔丝FPGA与高速背板双向连接；编码控制反熔丝FPGA与数传接口单向连接。
图像处理模块SRAM型FPGA与高速缓存DDR2双向连接；图像处理模块SRAM型FPGA与图像处理模块运行参数存储EEPROM双向连接。
编码控制反熔丝FPGA负责完成对系统控制参数存储EEPROM的读写操作、编码处理芯片的读写控制、SpaceWire协议数据包的打包处理及其它的一些逻辑控制；系统控制参数存储EEPROM用于存储系统运行的一些控制参数；编码处理芯片用于完成图像数据的SpaceWire协议网络传输。
图像处理控制反熔丝FPGA用于完成图像信息处理的一些逻辑控制，包括：1）依据系统信息处理的要求，完成对图像处理模块SRAM型FPGA的程序配置；2）依据系统信息处理的要求，完成对图像处理模块SRAM型FPGA的程序更新，将更新的程序存储到图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM中去；3）接收空间站不同载荷模块输出的图像数据，并将这些图像数据发送到图像处理模块SRAM型FPGA；4）接收图像处理模块SRAM型FPGA处理完成的图像数据；5）依据系统信息处理的要求，完成对压缩处理芯片的初始化配置及压缩处理芯片的控制；6）系统其它的一些逻辑控制，包括接收编码控制反熔丝FPGA通过背板传输的一些遥控遥测指令等。图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM用于存储图像处理模块SRAM型FPGA配置程序的版本1，该版本是系统信息处理中基本的固化程序；图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM用于存储图像处理模块SRAM型FPGA配置程序版本2，该版本是系统信息处理中可根据系统处理要求灵活配置的程序。压缩处理芯片用于完成图像数据的压缩处理。
图像处理模块SRAM型FPGA用于完成系统的图像处理，包括：1）图像处理中间数据的DDR2缓存读写控制；2）图像处理模块运行参数存储EEPROM的读写控制；3）接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，对图像数据进行处理，并将处理后的数据发送给图像处理控制反熔丝FPGA。
如图2所示，本发明基本工作流程是：1）系统上电，系统硬件电路完成复位；2）编码控制反熔丝FPGA和图像处理控制反熔丝FPGA先后开始工作，编码控制反熔丝FPGA并读取系统控制参数存储EEPROM中的一些工作参数发送给图像处理控制反熔丝FPGA；3）图像处理控制反熔丝FPGA解析工作参数指令，读取相应的存储在图像处理模块SRAM型FPGA存储PROM或EEPROM中的图像处理算法FPGA配置程序，并对图像处理模块SRAM型FPGA进行配置；4）图像处理控制反熔丝FPGA完成对压缩处理芯片的初始化配置；5）图像处理模块SRAM型FPGA开始工作，对图像数据进行处理，并将处理后的图像数据发送给图像处理控制反熔丝FPGA；6）图像处理控制反熔丝FPGA根据系统指令要求完成图像数据的压缩，并将图像数据经高速背板发送给编码控制反熔丝FPGA；7）编码控制反熔丝FPGA按照SpaceWire协议要求将图像数据进行打包并发送给编码处理芯片，并读取编码处理芯片处理后的SpaceWire网络协议数据发给空间站数传系统。
如图3所示，图像处理模块SRAM型FPGA程序配置流程是：图像处理控制反熔丝FPGA接收到图像处理模块SRAM型FPGA的配置指令后，启动图像处理模块SRAM型FPGA的程序配置。首先根据指令判断是从图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM加载配置程序版本1还是从图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM加载程序版本2。与此同时，使能图像处理模块SRAM型FPGA的PROG_B信号，然后检测INIT_B信号，若INIT_B信号在规定的时间内无效，则表明图像处理模块SRAM型FPGA配置失败，向编码控制反熔丝FPGA发送配置失败信号并结束本次配置操作。若INIT_B信号在规定的时间内有效，则使能图像处理模块SRAM型FPGA的CS_B和RDWR_B信号；若选择的配置数据是版本1，则将读取自图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM的配置数据通过SelectMap模式向图像处理模块SRAM型FPGA发送；若选择的配置数据是版本2，则将读取自EEPROM的配置数据通过SelectMap模式向图像处理模块SRAM型FPGA发送；当所有配置数据发送完成后，检测DONE信号是否有效。若在规定的时间内有效，则表明图像处理模块SRAM型FPGA配置成功，并向编码控制反熔丝FPGA发送配置成功信号；若在规定的时间内无效，则表明图像处理模块SRAM型FPGA配置失败，向编码控制反熔丝FPGA发送配置失败信号并结束本次配置操作。
如图4所示，图像处理模块SRAM型FPGA程序更新流程是：图像处理控制反熔丝FPGA接收到程序上注更新的指令后，将地面通过遥控指令上注的图像处理模块SRAM型FPGA新程序存储到EEPROM中。首先图像处理控制反熔丝FPGA接收遥控指令并进行指令解析，判断是否是上注程序数据。若判断不是上注程序数据，则继续接收下一条遥控指令；若判断是上注程序数据，则将接收到的5组数据进行EDAC校验；然后对EDAC校验后的结果进行判断，若校验结果正确，则启动对图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM的写操作，将程序数据写入图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM；若校验结果不正确，则对图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM不进行写操作；当上注数据发送完成后，结束本次更新操作。
如图5所示，压缩处理芯片的初始化配置流程是：为了保证压缩处理芯片能够正常进行编码处理，需要对压缩处理芯片进行初始化配置。压缩处理芯片的配置信息主要包括：内部时钟的配置、工作模式的配置、固件程序载入、编码参数配置等。首先对压缩处理芯片进行复位，然后配置内部工作时钟寄存器PLL_HI和PLL_LO，本文中，PLL_HI配置为0X0008，PLL_LO配置为0X0002，此时压缩处理芯片内部时钟JCLK频率是MCLK频率的2倍，HCLK和MCLK频率相同。配置完时钟寄存器后，等待至少20μs以使PLL生效。接下来配置压缩处理芯片工作模式和主机模式，配置完成后将压缩处理芯片的固件编码程序通过HDATA接口写入。等固件程序写入后，须配置压缩处理芯片工作时需要的一些编码参数。参数配置完成后，初始化和使能DMA寄存器，然后配置中断外部寄存器并判断初始化是否完成，等待初始化完成后清除中断寄存器，压缩处理芯片开始正常工作。
如图6所示，编码处理芯片SpaceWire编码发送流程是：编码控制反熔丝FPGA对编码处理芯片进行初始化配置，并将要发送的数据采用双口RAM按照协议格式进行打包处理，并将打包后的数据通过编码处理芯片的数据接口进行发送。首先进行初始化操作，然后SpaceWire进行连接，并读取寄存器判断SpaceWire是否正常工作，若不能正常工作，则继续进行初始化操作；若能正常工作，则对数据接收模式寄存器进行配置。等系统配置完成后，判断等待信号是否有效，读取中断寄存器并判断中断原因。若是连接错误或校验错误，则进入初始化操作；若是发送完或接收完整包数据，则给出接收完或发送完信号，并重新配置发送接收模式结存器，继续进入初始化操作。
系统编码控制反熔丝FPGA和图像处理控制反熔丝FPGA采用Actel公司的AX2000-CG624，图像处理模块SRAM型FPGA采用Xilinx公司的V4FX140，编码处理芯片采用Atmel公司的AT7911。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于包括：三类通用遥感数据接口、大容量高速数据缓存DDR2、图像处理控制反熔丝FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM、图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM、压缩处理芯片、图像处理模块运行参数存储EEPROM、高速背板、编码控制反熔丝FPGA、系统控制参数存储EEPROM和编码处理芯片；
三类通用遥感数据接口，配置三类通用遥感数据接口即高速数据接口、中速数据接口和低速数据接口，接收空间站多个不同遥感载荷输出的图像数据；
大容量高速数据缓存DDR2，用于图像处理模块SRAM型FPGA运行中遥感图像数据的缓存；
图像处理控制反熔丝FPGA，用于系统的逻辑控制；根据系统输入指令的要求，完成从图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM或图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM中读取图像处理模块SRAM型FPGA的配置数据，并对图像处理模块SRAM型FPGA进行配置；系统上电后对压缩处理芯片进行初始化配置，待压缩处理芯片配置成功后，将接收到的遥感图像数据输入到压缩处理芯片进行压缩处理，支持无损压缩、近无损压缩和直通三种模式，并接收压缩处理芯片输出的压缩图像数据并通过高速背板输出给编码控制反熔丝FPGA，；
图像处理模块SRAM型FPGA，用于对输入图像数据的算法处理；接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，读取图像处理模块运行参数存储EEPROM中存储的参数，完成对输入图像数据的图像处理，并将图像处理过程中产生的中间数据存入DDR2存储；将经过处理的图像数据通过高速背板输出给图像处理控制反熔丝FPGA；
编码控制反熔丝FPGA，用于完成图像数据的编码控制；系统上电工作后，读取系统控制参数存储EEPROM中存储的系统工作参数；对编码处理芯片进行初始化配置，待编码处理芯片配置成功后，将接收到的图像数据输入编码处理芯片进行编码处理并将编码后的数据通过数传接口传输出去；
编码处理芯片，用于完成对输出数据的编码处理；编码处理芯片初始化配置成功后，接收编码控制反熔丝FPGA输出的图像数据，按照编码协议要求，对图像数据进行编码处理，并将经过编码处理后的数据输出到编码控制反熔丝FPGA；
压缩处理芯片，用于完成输入图像的压缩处理；压缩芯片初始化配置成功后，接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，按照系统设定的压缩倍率要求，完成图像的压缩处理，并将压缩后的图像数据发送给图像处理控制反熔丝FPGA；
图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储PROM，用于存储图像处理模块SRAM型FPGA的配置程序版本1；
图像处理模块SRAM型FPGA配置程序存储EEPROM，用于存储图像处理模块SRAM型FPGA的配置程序版本2；
图像处理模块运行参数存储EEPROM，用于存储图像处理过程中的参数；
系统控制参数存储EEPROM，用于存储系统的工作参数；
高速背板，用于电路板之间的高速信号传输；接收图像处理控制反熔丝FPGA输出的图像数据，并输出到编码控制反熔丝FPGA。
2.根据权利要求1所述的空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于：系统处理功能可扩展；系统根据空间站不同遥感载荷类型输出的数据，给图像处理模块SRAM型FPGA配置不同的处理算法，完成不同类型图像数据的实时处理；
3.根据权利要求1所述的空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于：所述三类通用遥感数据接口中高速率数据接口采用基于8b/10bSerDes架构的串行传输方式，支持速率为1.6Gbps～2.5Gbps；中速率数据接口采用并行时钟SerDes LVDS并行传输方式，支持速率为200Mbps～1.6Gbps；低速率数据接口采用LVDS传输方式，支持速率为200Mbps以下的数据传输；
4.根据权利要求1所述的空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于：所述大容量高速数据缓存DDR2为4个；
5.根据权利要求1所述的空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于：所述压缩处理芯片中支持输入图像的位数为8比特、10比特和12比特，该芯片可支持图像的无损和视觉近无损压缩，且近无损压缩倍率可支持2倍、4倍和8倍压缩。
6.根据权利要求1所述的空间站可扩展和海量遥感信息处理系统，其特征在于：所述编码处理芯片为SpaceWire协议芯片，该芯片支持数据按照SpaceWire协议进行数据传输。
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