CN106231224A - 一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统 - Google Patents

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徐伟
曲宏松
朴永杰
陶淑苹
冯汝鹏
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Abstract

一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，视频小卫星载荷电子学系统研制领域，为了解决现有技术存在成本高、工作效率低、体积重量功耗大，的问题，该系统包括系统控制模块、图像接口模块、数传接口模块、高速缓存模块、图像压缩模块、图像存储模块和卫星平台接口模块；所述图像接口模块、数传接口模块、高速缓存模块、图像压缩模块、图像存储模块和卫星平台接口模块分别与系统控制模块相连；该系统系统可以有效地对视频小卫星载荷相机输出的原始图像数据进行采集，实时存储、压缩与传输；系统采用一体化设计，将数据采集、压缩、存储以及传输高度集成到一块电路板上，大大减小了视频小卫星载荷成像电子学体积、重量、功耗。

Description

一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统
技术领域
本发明涉及视频小卫星载荷电子学系统研制领域，具体涉及一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统。
背景技术
目前，人类获得的高分辨航天光学遥感数据以静态图像为主，由卫星搭载高性能空间TDICCD遥感相机以推扫的方式获得。静态图像虽然能够满足人类对遥感信息的大部分需求，但某些时候，一些地区的动态过程信息更有价值，例如：火山喷发、森林大火、洪水、海啸、大规模山体滑坡和泥石流等自然界变化，以及人群聚集、运输工具(汽车、舰船、飞机)的移动速度与方向等人为变化，传统的静态遥感图像对这些动态信息的判读便无能为力了。新型的视频小卫星由于携带的是可以拍摄动态图像的摄像机，可以完成对目标区域短时间的连续图像，对于该地区动态信息的判读极为有利。因此，发展视频小卫星，实现天基动态实时对地观测是未来小卫星技术的重要发展趋势和方向。
随着视频小卫星技术的飞速发展，视频成像分辨率越来越高，达到3840×2160分辨率的超高清彩色动态视频成像，符合4K电视的标准制式，而且视频小卫星的重量也是越来越轻，大都在100kg以下，甚至在50kg以下，这对视频小卫星载荷成像系统的研制提出了越来越高的要求，不仅要实现动态视频获取、存储、动态视频压缩以及数据打包传输功能，而且要求视频成像系统体积小，重量轻，功耗低。传统光学遥感卫星成像系统仅仅实现图像数据获取与打包传输，而图像数据的压缩与存储分配到别的有效载荷系统中，这种实现方案不仅成本高，工作效率低，而且体积重量功耗大，无法满足视频小卫星对载荷电子学系统研制要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在成本高、工作效率低、体积重量功耗大，无法满足视频小卫星对载荷电子学系统研制要求的问题，提供一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，该系统实现星载视频图像数据采集、压缩、存储以及传输的单板设计，大大减小了视频小卫星载荷成像电子学体积、重量、功 耗，为视频小卫星的低成本高集成度研制开创和探索出一条有效的技术途径。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征是，该系统包括系统控制模块、图像接口模块、数传接口模块、高速缓存模块、图像压缩模块、图像存储模块和卫星平台接口模块；所述图像接口模块、数传接口模块、高速缓存模块、图像压缩模块、图像存储模块和卫星平台接口模块分别与系统控制模块相连；
所述系统控制模块负责整个一体化图像处理系统的调度与控制以及图像数据打包与加密；
所述图像接口模块用于接收星载视频相机输出的图像数据，发送星载视频相机的遥控指令给系统控制模块，接收星载视频相机的遥测参数；
所述数传接口模块用于接收经系统控制模块打包和加密后的图像数据，将其转换为高速串行的LVDS数据流并发送给卫星数传分系统，实现与卫星数传分系统的物理连接；
所述高速缓存模块用于对输入的高速图像数据进行缓存，便于不同速率数据流的异步存取，保证数据不丢失；
所述图像压缩模块用于对输入的高速图像数据进行JPEG2000压缩；所述图像存储模块用于对输入的高速图像数据进行非易失性固态存储；所述卫星平台接口模块用于接收卫星平台中心计算机的遥控指令，发送一体化图像处理系统的遥测参数。
本发明的有益效果如下：
1、本发明所提供的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统采用一块图像处理板实现视频相机图像数据采集、压缩、存储与传输，大大减小了视频小卫星载荷成像电子学体积、重量、功耗；
2、本发明所提供的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统可以有效地采集视频小卫星载荷相机输出的原始图像数据，实时存储、压缩与传输；
3、本发明所提供的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统的系统控制模块的FPGA采用硬件描述语言进行开发，可根据不同载荷相机参数选择压缩后存储或存储后压缩，通用性好，灵活性和扩展能力强。
附图说明
图1为本发明一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统的结构示意图。
图2为本发明一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统的实施例原理框图。
图3是本发明中系统控制模块(FPGA)内部功能模块组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行做进一步的详细说明。
本发明提供了一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统采用FPGA作为系统的控制核心，SATA固态盘完成图像数据的非易失性存储，专用的压缩解压芯片ADV212完成图像数据的压缩，DDR2作为图像数据的高速缓存，通过RS422通信方式与中心计算机和相机完成指令和遥测参数交换，通过Cameralink接口完成相机图像数据的接收以及通过高速串行LDVS将图像数据发送给数传分系统。
参见图1、图2所示，本发明提供了一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，该系统由系统控制模块1、图像接口模块2、数传接口模块3、高速缓存模块4、图像压缩模块5、图像存储模块6以及卫星平台接口模块7组成，图像接口模块2、数传接口模块3、高速缓存模块4、图像压缩模块5、图像存储模块6以及卫星平台接口模块7分别和系统控制模块1相连。
系统控制模块1负责整个一体化图像处理系统的调度与控制以及图像数据打包与加密，采用XILINX公司Virtex-5系列FPGA，XC5VFX70T作为系统的核心控制器件，FPGA配置芯片采用XCF32P，通过Verilog硬件描述语言编程实现。
图像接口模块2用于接收星载视频相机输出的图像数据，发送相机的遥控指令，接收相机的遥测参数，由Cameralink接收器和RS422收发器组成，所述的Cameralink接收器采用NS公司的DS90CR288A，配置为Cameralink Full模式，数据接收时钟85MHz，数据最大吞吐量为680MB/s，所述的RS422收发器采用TI公司的DS26C31和DS26C32，波特率为38400bps。
数传接口模块3用于接收经系统控制模块打包和加密后的图像数据，将其 转换为高速串行的LVDS数据流并发送给卫星数传分系统，实现与卫星数传分系统的物理连接，采用TI公司的G比特级串行收发器TLK2711，数据发送时钟100MHz，最高传输速率达到1.6Gb/s，传输通道采用的是一对高速串行差分电缆，电缆的特性阻抗为100Ω。
高速缓存模4用于对输入的高速图像数据进行缓存，便于不同速率数据流的异步存取，保证数据不丢失，采用2片DDR2存储器组成DDR2存储阵列，选用Micron公司的MT47H128M16RT-25E-AAT型DDR2存储器，缓存容量配置为128M×32bits。
图像压缩模5用于对输入的高速图像数据进行JPEG2000压缩，采用4片ADV212专用图像压缩芯片组成图像压缩芯片阵列，4片ADV212分区域并行压缩相机输出的分辨率为4096H×3072V的高清视频图像，每片ADV212压缩图像大小为1024H×3072V，持续输入码流配置为60MSPS。所述的ADV212专用图像压缩芯片采用JPEG2000压缩算法，压缩比可配置，压缩效率高，控制方便。
图像存储模块6用于对输入的高速图像数据进行非易失性固态存储，采用2块SATA2.0固态盘组成是SATA固态盘存储阵列，支持RAID0，固态盘选用FOREMAY的240GB军用等级固态硬盘，存储容量为480GB，持续读取和写入的速度不小于350MB/s，峰值读写速度高达500GB/s。
卫星平台接口模块7用于接收卫星平台中心计算机的遥控指令，发送一体化图像处理系统的遥测参数，采用RS422通信方式，RS422收发器采用TI公司的DS26C31和DS26C32，波特率为38400bps。
如图2所示，本发明提供了一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统通过Cameralink接收器和RS422收发器与相机进行连接，相机根据接收到的RS422指令和成像参数完成对目标的光电转换输出Cameralink Full模式的高速LVDS数据流。所述Cameralink接收器将相机输出的Cameralink Full模式的高速串行LVDS数据流解码恢复还原成8×8bit高速并行图像数据、行有效信号、帧有效信号以及40MHz的伴随数据时钟信号后送入FPGA，由FPGA完成对图像数据的缓存、压缩、存储与传输管理。所述FPGA根据接收到的行有效信号、帧有效信号以及伴随数据时钟信号对8×8bits高速并行图像数据进行同步采集，采集到的图像数据经DDR2高速缓存模块后送入SATA固态盘图像存储模块进 行实时无损非易失性存储。然后根据接收到的卫星平台中心计算机发送的RS422数传指令，由FPGA顺序从SATA固态盘图像存储模块读取图像数据，并送入ADV212高速压缩模块进行JPEG2000视频压缩，压缩后的图像数据经FPGA进行数传组帧加密后发送给TLK2711高速串行发送器，所述TLK2711高速串行发送器将数传帧格式数据转换为一对高速串行LVDS数据流，经数传接口发送给卫星数传分系统。
如图3所示，所述系统控制模块1内部的功能模块包括：系统逻辑控制器、Cameralink接口控制器、相机通信控制器、DDR2控制器、图像压缩控制器、文件管理系统、SATA控制器、数传接口控制器以及平台通信控制器。所述Cameralink接口控制器、相机通信控制器、DDR2控制器、图像压缩控制器、文件管理系统、数传接口控制器以及平台通信控制器分别与系统逻辑控制器相连；所述的SATA控制器与文件管理系统相连。其中，系统逻辑控制器用于整个系统的逻辑控制和图像数据流控制；Cameralink接口控制器用于CameralinkFull模式的8×8bits高速并行图像数据的同步采集与接收；相机通信控制器用于视频相机的RS422通信控制，完成对相机的成像参数配置和相机遥测参数接收；DDR2控制器用于图像数据的高速缓存管理，采用专用的DDR2控制器IP核实现，同时将DDR2存储阵列构建为先进先出存储器(FIFO)进行高速缓存，为数据的存储和读取分别提供独立通道，便于不同速率数据流的异步存取，保证数据不丢失和有效缓存；图像压缩控制器用于ADV212图像压缩芯片阵列的参数配置和图像数据流控制；文件管理系统用于固态盘存储的文件式管理，将整个固态盘阵列存储容量平均分配为N个簇，每个簇包含K个扇区，每个簇有不同的编号，通过管理簇链表来管理文件数据，每个簇链表对应的簇包含的数据顺序组合即成为一个文件，可实现数据大小任意，数据文件数量任意的文件管理；SATA控制器用于实现SATA协议，直接管理固态盘存储阵列；数传接口控制器用于图像数据的数传格式组帧及信息加密，并将数据发送给卫星数传分系统；平台通信控制器用于与卫星平台中心计算机的的RS422通信控制，完成与卫星平台中心计算机的数据交换，接收遥控指令发送遥测参数。
本实施方式所述的SATA控制器采用的美国IntelliProp公司的SATA控制器IPR-SA100C专用SATA IP核，兼容三种SATA标准：支持SATA1.0(1.5Gb/s)、 SATA2.0(3.0Gb/s)和SATA3.0(6.0Gb/s)。
上述具体实施方式仅仅是为了对本发明作出详细说明而描述的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如，所述系统控制模块还可以采用其他型号的FPGA实现，SATA固态盘可采用SATA3.0固态盘，等等。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而由此引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征是，该系统包括系统控制模块(1)、图像接口模块(2)、数传接口模块(3)、高速缓存模块(4)、图像压缩模块(5)、图像存储模块(6)和卫星平台接口模块(7)；所述图像接口模块(2)、数传接口模块(3)、高速缓存模块(4)、图像压缩模块(5)、图像存储模块(6)和卫星平台接口模块(7)分别与系统控制模块(1)相连；
所述系统控制模块(1)负责整个一体化图像处理系统的调度与控制以及图像数据打包与加密；
所述图像接口模块(2)用于接收星载视频相机输出的图像数据，发送星载视频相机的遥控指令给系统控制模块(1)，接收星载视频相机的遥测参数；
所述数传接口模块(3)用于接收经系统控制模块(1)打包和加密后的图像数据，将其转换为高速串行的LVDS数据流并发送给卫星数传分系统，实现与卫星数传分系统的物理连接；
所述高速缓存模块(4)用于对输入的高速图像数据进行缓存，便于不同速率数据流的异步存取，保证数据不丢失；
所述图像压缩模块(5)用于对输入的高速图像数据进行JPEG2000压缩；所述图像存储模块(6)用于对输入的高速图像数据进行非易失性固态存储；所述卫星平台接口模块(7)用于接收卫星平台中心计算机的遥控指令，发送一体化图像处理系统的遥测参数。
2.根据权利要求1所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述系统控制模块(1)由FPGA实现，内部的功能模块包括：系统逻辑控制器、Cameralink接口控制器、相机通信控制器、DDR2控制器、图像压缩控制器、文件管理系统、SATA控制器、数传接口控制器以及平台通信控制器；所述Cameralink接口控制器、相机通信控制器、DDR2控制器、图像压缩控制器、文件管理系统、数传接口控制器以及平台通信控制器分别与系统逻辑控制器相连；所述的SATA控制器与文件管理系统相连。
3.根据权利要求1所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述图像接口模块(2)包括：Cameralink接收器和相机RS422收发器；所述Cameralink接收器用于将视频相机输出的高速串行LVDS数据流恢复还原成高速并行的数据流，进而导入系统控制模块中；所述相机RS422收发器用于相机RS422通信的电平转换，将系统逻辑控制器发送的相机控制指令转发给相机，同时将相机的工作状态返回给系统逻辑控制器。
4.根据权利要求2所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述数传接口模块(3)是高速串行收发器，传输速率缓大于1.6Gbps。
5.根据权利要求2所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述高速缓存模块(4)是DDR2存储阵列，缓存容量不小于128M×32bits。
6.根据权利要求2所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述图像压缩模块(5)是ADV212图像压缩芯片阵列，持续输入码流不小于160MSPS。
7.根据权利要求2所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述图像存储模块(6)是SATA固态盘存储阵列，存储容量大于400GB，持续读取和写入的速度不小于350MB/s。
8.根据权利要求2所述的用于视频小卫星载荷的一体化图像处理系统，其特征在于，所述卫星平台接口模块(7)是RS422收发器，波特率38400bps。
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