“高分二號”衛(wèi)星遙感相機(jī)圖像采集與功能驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃偉 姜海濱 于雙江 林悅 陳原

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

近年來，高分遙感衛(wèi)星的研制發(fā)展迅猛，體現(xiàn)出高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率以及高輻射分辨率的特點(diǎn)[1-3]。我國十分重視高分遙感衛(wèi)星的發(fā)展，高分辨率對地觀測專項(xiàng)已列為國家重大科技專項(xiàng)之一[4]，已發(fā)射和在研的高分遙感衛(wèi)星近十顆。相機(jī)的高分辨率和寬覆蓋使得圖像數(shù)據(jù)量成倍增長，推動相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸方式由低速并行向高速串行發(fā)展[5]。為了提高數(shù)傳接口傳輸效率，有效利用下行鏈路帶寬，星上圖像都需要經(jīng)過壓縮處理[6]，先進(jìn)的精細(xì)化壓縮算法已經(jīng)在星上應(yīng)用[7]。各種改善圖像品質(zhì)的處理技術(shù)也在星上得到應(yīng)用，如探測器響應(yīng)不一致性校正[8]以及圖像增強(qiáng)算法等[9-10]?！案叻侄枴保℅F-2）衛(wèi)星遙感相機(jī)的分辨率已達(dá)亞米級，采用高速串行數(shù)傳接口，星上對全色圖像進(jìn)行 JPEG2000圖像壓縮，同時(shí)還采用了特定的校正算法改善圖像品質(zhì)。

先進(jìn)的遙感成像系統(tǒng)需要優(yōu)秀的地面圖像采集與分析系統(tǒng)與之相適應(yīng)。傳統(tǒng)圖像采集設(shè)備以低電壓差分信號并行數(shù)據(jù)接口為主，與GF-2衛(wèi)星遙感相機(jī)的串行接口形式不兼容；并行傳輸時(shí)鐘在100MHz，數(shù)據(jù)寬度在 16bit以上時(shí)，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸必須考慮數(shù)據(jù)與時(shí)鐘沿對齊的問題，這將會給硬件設(shè)計(jì)帶來很大的挑戰(zhàn)[11]。因此，并行傳輸速率一般在1.6Gbit/s以下，不能滿足GF-2衛(wèi)星相機(jī)2Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；地面圖像采集與分析系統(tǒng)多為通用設(shè)備，難以滿足相機(jī)星上算法驗(yàn)證的定制需求。

本文設(shè)計(jì)了一種圖像采集及功能驗(yàn)證系統(tǒng)，對 GF-2衛(wèi)星相機(jī)的視頻處理功能進(jìn)行快速地面驗(yàn)證。該系統(tǒng)可以完成遙感器高速串行輸出的圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示，并完成串行數(shù)傳鏈路穩(wěn)定性測試、圖像壓縮功能的驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用4片與GF-2衛(wèi)星相機(jī)圖像數(shù)傳接口兼容的SerdDes芯片作為圖像輸入接口，可同時(shí)接收4路高速串行圖像信號輸入，單路峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.7Gbit/s；集成4片壓縮和解壓芯片，可同時(shí)對4路JPEG2000格式的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮或解壓縮，在不可逆模式下，單路處理峰值速率為6.5×107次/s；使用專用轉(zhuǎn)換芯片完成并行接口到CameraLink圖采接口的轉(zhuǎn)換，CameraLink接口輸出80MHz、24bit寬的圖像數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行快速顯示。系統(tǒng)集成了2片DDR2緩存，單片容量為2Gbyte，位寬可根據(jù)實(shí)際需要配置為16或32bit。為了滿足后續(xù)圖像測試的需求，還集成了USB主控接口以及16bit并行數(shù)據(jù)輸入接口。在硬件設(shè)計(jì)中，如何保證2Gbit/s數(shù)傳鏈路的穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)高速大容量數(shù)據(jù)緩存是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖1 圖像采集及功能驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of image acquisition and function verification system function

1.2 高速串行傳輸接口

在高速遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，并行接口體積大、數(shù)據(jù)線多，不利于PCB布線，高速下時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位難以對齊。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，GF-2衛(wèi)星相機(jī)采用TLK2711芯片作為數(shù)傳接口。與之相適應(yīng)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口也選用TLK2711接口芯片。芯片工作參考時(shí)鐘為80～135MHz。在發(fā)送端，芯片將16bit并行數(shù)據(jù)進(jìn)行8B/10B編碼成20bit數(shù)據(jù)，以20倍TxClk時(shí)鐘完成并串轉(zhuǎn)換發(fā)送，串行速率為1.6～2.7Gbit/s。在數(shù)據(jù)接收端，在同頻TxClk時(shí)鐘基準(zhǔn)下，完成串并轉(zhuǎn)換以及8B/10B解碼工作。

高速串行/解串芯片的工作機(jī)制決定了其參考時(shí)鐘必須為高精度低抖動[11]。TLK2711對參考時(shí)鐘TxClk的抖動峰—峰值要求不超過40ps，55～125℃溫度范圍內(nèi)頻漂小于±10–4Hz[12]。為了滿足該芯片對時(shí)鐘的要求，系統(tǒng)選用EG-2121CA 100MHz晶振作為參考時(shí)鐘，其抖動峰—峰值典型值為25ps，頻率穩(wěn)定度為±5×10–5Hz。

在信號完整性處理上，對并行數(shù)據(jù)進(jìn)行等長約束，對時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行源端匹配，熱焊盤良好接地；串行數(shù)據(jù)傳輸接插件和電纜均選用高等級器件，能有效解決差分信號在傳輸過程中的信號衰減和噪聲問題。

1.3 DDR2高速緩存

系統(tǒng)采用2片2Gbit DDR2緩存，以實(shí)現(xiàn)大容量圖像數(shù)據(jù)的高速緩存。設(shè)計(jì)2片DDR2可以根據(jù)需要單獨(dú)工作或者以并行的方式工作。

為了保證DDR2的工作時(shí)序要求，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)就要保證數(shù)據(jù)線、地址線、控制線以及時(shí)鐘信號之間有相同的延時(shí)。為此，PCB設(shè)計(jì)在過程中需添加以下約束：

1）2片DDR2各自地址信號做±0.635mm等長約束，對應(yīng)時(shí)鐘與之等長（±0.635mm）；

2）2片DDR2地址信號之間做±1.27mm等長約束，數(shù)據(jù)標(biāo)志信號等長做±0.635mm的等長約束；

3）數(shù)據(jù)端口有效信號DQ加33?匹配電阻。

2 相機(jī)功能驗(yàn)證

2.1 成像功能驗(yàn)證

相機(jī)成像功能驗(yàn)證是指對相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。GF-2衛(wèi)星相機(jī)數(shù)傳接口串行速率為2Gbit/s，并串轉(zhuǎn)換前數(shù)傳格式如圖2所示，幀頭為0X5CFB，幀尾為0XFDFE，幀長為6 192像元。系統(tǒng)首先通過TLK2711芯片接收2Gbit/s串行信號，完成串并轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）接收并行信號，處理成標(biāo)準(zhǔn)CameraLink數(shù)傳格式，用CameraLink接口傳輸給上位機(jī)，由其進(jìn)行顯示和分析。

系統(tǒng)FPGA對圖像數(shù)據(jù)格式進(jìn)行檢測，包括幀頭、幀尾、幀長。檢測結(jié)果以指示燈的方式進(jìn)行顯示。經(jīng)測試，上位機(jī)圖像接收和顯示穩(wěn)定。CameraLink采集卡時(shí)鐘速率最高為 80MHz，可滿足本文所設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)的需求。

2.2 高速數(shù)傳接口的可靠性測試

為了確保Gbit數(shù)傳接口可靠穩(wěn)定，必須保證傳輸鏈路具有較低的誤碼率。利用此系統(tǒng)對GF-2衛(wèi)星相機(jī)的誤碼率進(jìn)行了測試。首先測試決定高速數(shù)傳穩(wěn)定性的參考時(shí)鐘的信號品質(zhì)，然后利用 Agilent誤碼儀實(shí)際測試了數(shù)傳接口的誤碼率。

TxClk的信號品質(zhì)測試波形如圖3所示，通過分析可知，TxClk的浴盆曲線開口較寬，信號誤碼率在 10–12數(shù)量級；眼圖清晰明顯，說明波形品質(zhì)較好；根據(jù)頻率抖動測試結(jié)果，如圖 3（c）所示，抖動峰—峰值在40ps范圍內(nèi)，滿足器件工作要求。

圖3 SerDes參考時(shí)鐘TxClk品質(zhì)測試結(jié)果Fig.3 TxClk test result of one SerDes chip

Agilent誤碼儀檢測傳輸鏈路穩(wěn)定性的工作原理如圖4所示。相機(jī)端產(chǎn)生Agilent誤碼儀能識別的偽隨機(jī)碼，參考時(shí)鐘為100MHz，并串轉(zhuǎn)換后以2Gbit/s向本板發(fā)送。本板接收到串行信號后，先完成串并轉(zhuǎn)換，然后由FPGA將偽隨機(jī)碼輸出給Agilent誤碼儀進(jìn)行檢測。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，收發(fā)500Gbit數(shù)據(jù)無一出錯，誤碼率優(yōu)于10–11。

圖4 高速串口誤碼率測試原理Fig.4 Error rate test diagram of high speed SerDes interface

2.3 圖像壓縮驗(yàn)證

目前，解決圖像數(shù)據(jù)量日益變大的方案有兩種：1）提高數(shù)傳接口的速率[5]；2）減少數(shù)傳接口的數(shù)據(jù)量，即對遙感原始圖像進(jìn)行預(yù)處理如目標(biāo)識別、云圖去除[13]，僅對感興趣的目標(biāo)圖像進(jìn)行下傳，或者對圖像進(jìn)行壓縮，減少接口數(shù)據(jù)率[6]。GF-2衛(wèi)星采用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)對圖像進(jìn)行壓縮。

JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電信聯(lián)盟推出針對圖像的最新壓縮標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用離散小波變換技術(shù)，既能考察局部時(shí)域過程的頻域特征，又能考察局部頻域過程的時(shí)域特征，適合應(yīng)用于遙感圖像壓縮?；贘PEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的ADV212芯片已成功應(yīng)用于多種發(fā)射型號，在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足應(yīng)用需求。系統(tǒng)采用FPGA+ADV212+DDR2的硬件結(jié)構(gòu)方式，以FPGA作為系統(tǒng)的主控，用DDR2完成輸入圖像數(shù)據(jù)的緩存處理，由ADV212完成圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮處理。

2.3.1 ADV212工作模式的選擇

ADV212有多種工作模式，而遙感相機(jī)的TDICCD工作特點(diǎn)是：以行為單位輸出圖像，沒有場和幀的概念。用戶自定義（custom specific，TDICS）模式是一種定制工作方式，可以根據(jù)不同的應(yīng)用系統(tǒng)定制為特定圖像或視頻格式。結(jié)合空間相機(jī) CCD圖像特點(diǎn)，權(quán)衡速度、占用資源和可行性，為了最大限度提升壓縮系統(tǒng)的處理能力，選取ADV212的CS模式作為遙感圖像壓縮工作模式，該模式利用VDATA接口輸入圖像數(shù)據(jù)，HDATA接口輸出壓縮數(shù)據(jù)。

2.3.2 壓縮塊選擇

圖像分塊有很多方式，針對本系統(tǒng)的分塊約束條件主要來自于壓縮芯片ADV212。當(dāng)采用不可逆壓縮模式時(shí)，ADV212壓縮輸入約束為[14-16]：

1）不可逆壓縮速率不超過6.5×107次/s；

2）單塊待壓縮圖像寬度小于4×103個(gè)像元，深度小于4×103個(gè)像元；

3）針對CS模式，最大圖像輸入尺寸為每幅圖像1.048×106個(gè)像元。

該相機(jī)單片TDICCD全色譜段最大數(shù)據(jù)率為6.144×107次/s。從圖像壓縮品質(zhì)以及節(jié)省資源的角度出發(fā)，利用1片ADV212對量化后的高10bit進(jìn)行壓縮。由于ADV212芯片要求壓縮數(shù)據(jù)圖像尺寸最大寬度為4×103個(gè)像元，而TDICCD傳感器輸出圖像寬度為6×103個(gè)像元，所以需要對圖像進(jìn)行拆分。滿足ADV212對輸入圖像的約束條件以及本型號應(yīng)用實(shí)際的圖像分塊方式有多種，但TDICCD推掃成像時(shí)垂直方向的像元對同一線上景物信息進(jìn)行積分成像，因此其成像原理決定了一幅圖像的上下2個(gè)像素信息相關(guān)度要強(qiáng)于左右2個(gè)像素信息的相關(guān)度，可將尺寸為128×6 144像元的圖像拆分成左右2塊：塊A和塊B，如圖5所示，采用1片ADV212順序進(jìn)行4︰1不可逆壓縮。

2.3.3 乒乓操作

SerDes芯片對輸入的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，輸入接口為 FIFO，然后進(jìn)入壓縮控制模塊進(jìn)行壓縮塊數(shù)據(jù)格式編排以及ADV212壓縮控制。根據(jù)壓縮芯片要求，需將128行圖像緩存成整塊圖像，再快速輸入到ADV212進(jìn)行壓縮處理。為了解決慢速圖像生成和ADV212快速圖像輸入的矛盾，系統(tǒng)采用乒乓操作，如圖6所示，通過2片DDR2的“乒乓”操作實(shí)現(xiàn)了相機(jī)輸出數(shù)據(jù)的流水壓縮處理，當(dāng)FPGA對DDR2_1進(jìn)行寫操作時(shí)，可以同時(shí)對DDR2_2進(jìn)行讀操作；反之，F(xiàn)PGA對DDR2_1進(jìn)行讀操作時(shí)，可以同時(shí)對DDR2_2進(jìn)行寫操作。待壓縮數(shù)據(jù)在DDR2中的讀寫“乒乓”操作，可滿足系統(tǒng)ADV212輸入時(shí)序以及圖像實(shí)時(shí)壓縮的要求。

2.3.4 ADV212關(guān)鍵寄存器設(shè)置及初始化

為了保證ADV212芯片能夠正常進(jìn)行編碼處理，需要對芯片進(jìn)行配置，芯片的配置信息主要包括：內(nèi)部時(shí)鐘的配置、工作模式的配置、固件程序載入、編碼參數(shù)配置等。依據(jù)圖像壓縮要求，芯片關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見表1。

圖5 圖像分塊方案Fig.5 Image partition solution

圖6 圖像壓縮乒乓操作示意Fig.6 Image ping-pang operation for compression

表1 ADV212芯片關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置Tab.1 Key parameters of ADV212

初始化模式采用 CS模式，初始化流程如圖 7所示。ADV212初始化程序依據(jù)特定的指令命令配置ADV212內(nèi)部直接寄存器和間接寄存器來完成。初始化程序從PLL、BOOT、MMODE和BUSMODE等寄存器的接入開始。當(dāng)裝載固件、配置參數(shù)完成后，軟件重啟，然后再次配置 BUSMODE和MMODE寄存器。固件裝載是否正確可以被EIRQFLG寄存器的中斷或投票程序證實(shí)，當(dāng)確定固件連接裝載和EIRQFLG寄存器清零后，編碼開始。若DREQ0有效，ADV212從FIFO讀取碼流。

圖7 ADV212初始化流程Fig.7 Initialization flow of ADV212

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可靈活配置的圖像采集及功能驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成像接收以及檢測功能、圖像數(shù)傳鏈路誤碼率檢測功能、圖像壓縮驗(yàn)證功能。重點(diǎn)闡述了高速串行數(shù)據(jù)傳輸、DDR2高速緩存等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，并使用該系統(tǒng)對 GF-2衛(wèi)星遙感相機(jī)的視頻處理功能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)圖像處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，可以滿足目前高分相機(jī)測試的需求。

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