天問一號(hào)高分辨率相機(jī)圖像存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王征，何云豐，孫興國，吳凡路，王棟*

天問一號(hào)高分辨率相機(jī)圖像存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王征1，2，何云豐1，孫興國3，吳凡路1，2，王棟1*

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械及物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院 月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011）

由于地球和火星之間數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限，無法將大量的高分辨率圖像實(shí)時(shí)傳回地面，天問一號(hào)高分辨率相機(jī)需要載荷本身具備圖像存儲(chǔ)能力。針對(duì)高分辨率相機(jī)成像數(shù)據(jù)量巨大問題，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的NAND Flash圖像存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)。首先，根據(jù)成像系統(tǒng)CCD和CMOS圖像傳感器輸出種類，劃分了NAND Flash存儲(chǔ)空間。接著，為解決高速率存儲(chǔ)問題，設(shè)計(jì)了流水存儲(chǔ)方法。然后，針對(duì)在軌新增壞塊問題，設(shè)計(jì)了壞塊自檢方法。最后，為解決地火傳輸帶寬緊張問題，設(shè)計(jì)了下采樣、像元融合、區(qū)域提取等圖像處理方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)接收并存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)率達(dá)到3 Gb/s，下行數(shù)據(jù)量最低約可降至原數(shù)據(jù)量0.4%。通過使用多種下行工作模式，既能獲取豐富的圖像數(shù)據(jù)，又能滿足深空探測(cè)有限的傳輸速率。

天問一號(hào)；高分辨率相機(jī)；存儲(chǔ)及處理；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）；NANDFlash

1 引　言

深空探測(cè)是人類對(duì)月球及以遠(yuǎn)的天體或空間開展的探測(cè)活動(dòng)，作為與地球軌道衛(wèi)星和載人航天并駕齊驅(qū)的航天活動(dòng)，深空探測(cè)不僅是眾多高新技術(shù)的高度綜合，也是體現(xiàn)一個(gè)國家綜合國力和創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志［1-3］。

和其他行星相比，火星的自然環(huán)境與地球更為相似，是人類目前認(rèn)識(shí)最深入的類地行星?；鹦翘綔y(cè)是繼月球探測(cè)之后行星探測(cè)的最大熱點(diǎn)，是未來載人行星探測(cè)的重要目標(biāo)［4］。我國于2020年7月23日成功發(fā)射首顆火星探測(cè)器——天問一號(hào)，天問一號(hào)由一個(gè)環(huán)繞器和一個(gè)著陸巡視器組成［5］。高分辨率相機(jī)（以下簡(jiǎn)稱高分相機(jī)）是天問一號(hào)環(huán)繞器上的7個(gè)科學(xué)有效載荷之一，其主要科學(xué)任務(wù)是獲取火星表面重點(diǎn)區(qū)域的高分辨率影像，觀測(cè)火星表面地質(zhì)現(xiàn)象的形成和變化過程，為著陸探測(cè)優(yōu)選合適區(qū)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。環(huán)繞器上所有的載荷由一臺(tái)載荷控制器進(jìn)行控制和管理［6］。

隨著空間科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在軌衛(wèi)星運(yùn)行期間產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的容量要求也越來越高。HiRISE相機(jī)是目前火星探測(cè)分辨率最高的相機(jī)，搭載在2005年美國發(fā)射的火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）上，傳回地球近300 TB火星圖像數(shù)據(jù)。HiRISE相機(jī)在火星300公里高度的軌道上，觀測(cè)火星地表分辨率最高可以達(dá)到0.3米。應(yīng)對(duì)地火傳輸速率低的問題，HiRISE使用了多種工作模式，如CCD傳感器選擇、更改積分時(shí)間、binning、14位到8位映射查找表等［7-9］。近年來，NAND Flash因具有存儲(chǔ)容量大、讀寫速度快、易擦除的特點(diǎn)［10］，同時(shí)存儲(chǔ)芯片能夠承受溫度的變化、機(jī)械的振動(dòng)和沖擊，具有較高的可靠性，而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，高分辨率對(duì)地觀測(cè)設(shè)備中［11］。

由于高分相機(jī)產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)率最高可達(dá)3 Gb/s，一次拍攝任務(wù)至少需30 s。而地火傳輸?shù)乃俾蕛H為幾百Kb/s，并且多個(gè)載荷同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)下傳。本文在高分相機(jī)上設(shè)計(jì)了基于NAND Flash的圖像存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多種圖像處理模式，解決了高分相機(jī)海量圖像數(shù)據(jù)無法下傳的問題。

2 存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高分相機(jī)主體完成光學(xué)成像并輸出對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)，成像控制箱安裝在相機(jī)主體焦面組件的后部，主要完成相機(jī)的成像控制功能。高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理板安裝在相機(jī)主體的成像控制箱旁，實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)成像系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)，如圖1紅框所示為高分相機(jī)正樣主體。

當(dāng)高分相機(jī)允許圖像數(shù)據(jù)下行時(shí)，根據(jù)地面的要求，對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LVDS串行接口輸出至環(huán)繞器有效載荷控制器，由載荷控制器對(duì)各載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一壓縮，載荷控制器設(shè)置了多種壓縮比，默認(rèn)壓縮比為6∶1。

高分相機(jī)成像系統(tǒng)負(fù)責(zé)將三片TDI CCD和兩片CMOS的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)相機(jī)的綜合控制和功能管理。存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)運(yùn)行在存儲(chǔ)及處理板上，如圖2所示。包含圖像存儲(chǔ)單元和圖像處理單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖1　高分相機(jī)正樣主體

圖2　高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理板

圖像存儲(chǔ)單元核心器件為FPGA，使用Xilinx公司的Virtex-2系列宇航級(jí)芯片XQR2V3000 4CD717V，300萬門。存儲(chǔ)處理FPGA通過RS-422通訊接口與主控系統(tǒng)進(jìn)行指令和工程參數(shù)的交互，控制三通道NAND Flash存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。NAND Flash采用3D公司的芯片3DFN64G16VS8477 MSA00，共計(jì)384 Gb存儲(chǔ)容量。由于高分相機(jī)為短時(shí)工作，因此存儲(chǔ)處理FPGA控制EEPROM存儲(chǔ)器保存當(dāng)前存儲(chǔ)地址和新增壞塊地址，控制SRAM存儲(chǔ)器緩存與圖像處理DSP交互的圖像數(shù)據(jù)。

圖像處理單元的核心器件為圖像處理DSP，型號(hào)為SMV320C6701GLPW14，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)若干圖像處理算法。

圖3　存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2　NAND Flash流水線設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)處理FPGA從3路高速串行LVDS通道接收成像系統(tǒng)發(fā)送的3片線陣CCD和2片面陣CMOS數(shù)據(jù)，CCD和CMOS不同時(shí)拍攝。成像系統(tǒng)的CCD圖像由全色譜段、紅色譜段、綠色譜段、藍(lán)色譜段及近紅外譜段組成，全色譜段的像元數(shù)為6 144，彩色譜段的像元數(shù)為1 536。成像系統(tǒng)的CMOS為全色成像，像元數(shù)為512×512，數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于CCD圖像。在265 km近火軌道高度成像時(shí)，CCD輸出全色圖像的行頻約為8.1k行/s，每輸出一行全色數(shù)據(jù)后接一行彩色數(shù)據(jù)，每個(gè)像元用16 bit量化，因此每通道輸出圖像的數(shù)據(jù)率約為1 Gb/s。

為了能夠滿足1 Gb/s的存儲(chǔ)速率，硬件設(shè)計(jì)將兩片NAND Flash的控制管腳并聯(lián)作為一個(gè)通道存儲(chǔ)器。物理上每一通道存儲(chǔ)器根據(jù)片選信號(hào)可分成4組基片，每組基片包含4 096個(gè)塊，每個(gè)塊包含64個(gè)頁，每個(gè)頁的容量為4 096×32 bit，以頁為存儲(chǔ)的基本單位，如圖4所示。存儲(chǔ)處理FPGA控制NAND Flash存儲(chǔ)時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘寫入32 bit數(shù)據(jù)，高16 bit存儲(chǔ)1號(hào)像元，低16bit存儲(chǔ)2號(hào)像元。寫滿4 096個(gè)像元后，頁地址指針指向下一頁。寫滿64頁后，塊地址指針指向下一個(gè)塊，直到寫滿所有可存儲(chǔ)的塊為止。使用NAND Flash最高的40 MHz寫入時(shí)鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)1.25 Gb/s寫入速度。

圖4　NAND Flash結(jié)構(gòu)示意圖

由于NAND Flash芯片操作機(jī)制，每操作完一頁，NAND Flash需要busy一段時(shí)間，期間對(duì)該基片不能進(jìn)行操作，時(shí)間約為100 μs。若等待busy時(shí)間結(jié)束后再進(jìn)行下一頁寫操作，耗時(shí)積累會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)速率不足以支撐CCD最高成像速率要求。因此，設(shè)計(jì)通過控制NAND Flash片選信號(hào)方式實(shí)現(xiàn)4級(jí)流水操作。首先，寫完第1組基片的第一頁后，在第1組基片的busy時(shí)間時(shí)寫第2組基片的第一頁。然后，同理寫入第3組基片和第4組基片的第一頁。最后，返回第1組基片，此時(shí)第1組基片已恢復(fù)空閑狀態(tài)，繼續(xù)寫第1組基片的第二頁［12］。所有寫入過程以此類推，如圖5所示。

圖5　NAND Flash 4級(jí)流水存儲(chǔ)示意圖

2.3　NAND Flash存儲(chǔ)空間劃分

第1通道與第3通道NAND Flash既需要寫入CCD數(shù)據(jù)還需要寫入CMOS數(shù)據(jù)，若不區(qū)分CCD或CMOS直接存儲(chǔ)，不利于地面下行任務(wù)的指令控制。為解決此問題，設(shè)計(jì)將NAND Flash存儲(chǔ)CCD與CMOS的地址分離，劃分空間存儲(chǔ)各自圖像。每通道NAND Flash共計(jì)4 096個(gè)塊，將0～3 516塊作為CCD的存儲(chǔ)空間，將3 517到3 995塊作為CMOS的存儲(chǔ)空間（第2通道沒有CMOS不進(jìn)行存儲(chǔ)空間劃分），從3 996到4 090塊作為出廠壞塊的替換地址，將4 091～4 095塊作為新增壞塊備用區(qū)域。

成像系統(tǒng)輸出的格式是一包全色，一包彩色交替輸出，彩色又分R、G、B和IR等4個(gè)譜段，格式如下P1/R1/P2/G1/P3/B1/P4/IR1/P5/R2……一包全色的數(shù)據(jù)量是6 154×16 bit，一包彩色的數(shù)據(jù)量是1 546×16 bit。為了充分利用空間，同時(shí)保證各個(gè)譜段圖像能夠分開下行，設(shè)計(jì)將一行全色與一行彩色寫入一個(gè)頁中，剩余部分使用數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，如圖6所示。根據(jù)前文的4級(jí)流水設(shè)計(jì)，第一組基片每頁存儲(chǔ)P和R，第二組基片每頁存儲(chǔ)P和G，第三組基片每頁存儲(chǔ)P和B，第四組基片每頁存儲(chǔ)P和IR。CMOS為全色輸出，一包圖像的數(shù)據(jù)量是522×16 bit，設(shè)計(jì)將四行CMOS數(shù)據(jù)寫入一個(gè)頁中，剩余部分使用數(shù)據(jù)進(jìn)行填充。

圖6　NAND Flash存儲(chǔ)格式及區(qū)域劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)格式，對(duì)于單次任務(wù)的存儲(chǔ)空間可以通過起始、終止兩個(gè)塊地址來確定。存儲(chǔ)時(shí)起始和終止地址通過工程參數(shù)遙測(cè)回傳地面，地面系統(tǒng)可根據(jù)一次任務(wù)中兩個(gè)地址建立任務(wù)號(hào)與存儲(chǔ)空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 存儲(chǔ)及處理軟件設(shè)計(jì)

3.1　壞塊管理及自檢設(shè)計(jì)

由于制造工藝的原因，NAND Flash出廠允許存在一定數(shù)量的壞塊，壞塊會(huì)影響存儲(chǔ)器讀寫的正確性，影響圖像質(zhì)量及下行鏈路。用戶可以通過讀取NAND Flash出廠壞塊信息來識(shí)別出所有已知壞塊［13］。

存儲(chǔ)處理FPGA通過設(shè)計(jì)邏輯地址和物理地址的映射關(guān)系，針對(duì)每一通道NAND Flash建立一個(gè)壞塊管理列表。在存儲(chǔ)處理FPGA內(nèi)部開辟一個(gè)4 096×12 bit的RAM存儲(chǔ)空間，每一個(gè)邏輯地址存儲(chǔ)其真實(shí)的物理地址，寫、讀及擦除時(shí)均按照邏輯地址執(zhí)行，而實(shí)際是對(duì)NAND Flash的物理地址進(jìn)行操作，具體替換方法如圖7所示。圖7（a）是壞塊表的初始態(tài)，物理地址和邏輯地址一致。根據(jù)之前的存儲(chǔ)區(qū)域劃分，假設(shè)出廠邏輯地址2是壞塊，將邏輯地址2對(duì)應(yīng)的物理地址改為4 001，實(shí)現(xiàn)該壞塊與有效塊的替換。其余壞塊以此類推，替換掉所有出廠壞塊，圖7（b）則為最終壞塊管理列表。

圖7　NAND Flash壞塊管理方法

由于NAND Flash只能執(zhí)行有限的寫入和擦除次數(shù)，因此在超過10萬次以上的擦寫時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)新增的壞塊。根據(jù)NAND Flash芯片屬性，在擦除一個(gè)塊或?qū)懭胍粋€(gè)頁時(shí)操作失敗，可以通過讀取狀態(tài)標(biāo)識(shí)位的方式判斷該塊為壞塊。存儲(chǔ)處理FPGA將每一通道的NAND Flash出現(xiàn)壞塊時(shí)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)位作為工程參數(shù)遙測(cè)回地面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新增壞塊，由地面決定是否執(zhí)行壞塊自檢。壞塊自檢的目的是修正在軌新增壞塊，對(duì)圖像下行正確性進(jìn)行保障，其操作流程如圖8所示。

圖8　NAND Flash壞塊自檢操作流程

在進(jìn)行壞塊自檢模式前，NAND Flash存儲(chǔ)器中已經(jīng)存滿成像系統(tǒng)發(fā)送的自校圖形，存儲(chǔ)處理FPGA對(duì)NAND Flash存儲(chǔ)器中所有頁的圖像數(shù)據(jù)的幀頭進(jìn)行判讀。根據(jù)檢測(cè)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)幀頭與自檢圖形不一致方法，可以識(shí)別出新增壞塊的位置。自檢結(jié)束后，將新壞塊地址在EEPROM中進(jìn)行備份。再上電時(shí)，使用4 091～4 095備用區(qū)域地址與新增壞塊地址進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)在軌新增壞塊處理，每通道NAND Flash可以處理5個(gè)新增壞塊。

3.2　圖像處理模式設(shè)計(jì)

高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了四種圖像處理模式，分別為下采樣、像元融合、區(qū)域提取及圖像處理算法。

321下采樣

存儲(chǔ)處理FPGA具備下行縮略圖的能力，由于成像的圖像分辨率較高，直接對(duì)原始圖像抽點(diǎn)能夠有效降低圖像數(shù)據(jù)量。存儲(chǔ)處理FPGA可以對(duì)原始圖像進(jìn)行2×2、4×4、8×8及16×16下采樣處理。在下行×下采樣數(shù)據(jù)時(shí)，從NAND Flash中正常讀取整個(gè)塊的圖像數(shù)據(jù)，然后在行方向個(gè)頁中選擇第1個(gè)頁進(jìn)行下行，列方向每個(gè)頁的個(gè)像元中選擇第1個(gè)像元進(jìn)行下行，最終實(shí)現(xiàn)×縮略圖下行，圖9為2×2抽點(diǎn)示意圖。

圖9　2×2抽點(diǎn)示意圖

322像元融合（binning）

存儲(chǔ)處理FPGA具備像元融合能力，像元融合與下采樣相比，更能準(zhǔn)確的表達(dá)圖像信息。高分相機(jī)可以對(duì)原始圖像進(jìn)行2×2、4×4、8×8及16×16 binning處理，將原始圖像n×n窗口的圖像變?yōu)橐粋€(gè)像元，其像元值為窗口內(nèi)所有像元的均值：

binning由高分相機(jī)的成像系統(tǒng)與存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)配合實(shí)行，行方向由成像系統(tǒng)完成n×1 binning，列方向由存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)完成1×n binning。存儲(chǔ)處理FPGA在讀取NAND Flash的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，將一行中的每n個(gè)像元加和平均，實(shí)現(xiàn)列方向的1×n binning，圖10為2×2 binning示意圖。

323區(qū)域提取

存儲(chǔ)處理FPGA具備原始圖像區(qū)域提取的能力，根據(jù)地面注入的區(qū)域提取指令和參數(shù)，下行原始圖像的部分區(qū)域。根據(jù)上述存儲(chǔ)區(qū)域劃分，設(shè)計(jì)將NAND Flash中1個(gè)塊的256行，每行6 144像元的CCD全色圖像數(shù)據(jù)，等分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域像元為256×384?；蛘邔AND Flash中4個(gè)塊的256行，每行1 536像元的CCD彩色圖像數(shù)據(jù)，等分為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域像元為256×384，如圖11所示。存儲(chǔ)處理FPGA根據(jù)注入的起始列和結(jié)束列的數(shù)值，進(jìn)行原始圖像的讀取和下行，最終獲取以256×384像元為基礎(chǔ)圖像塊的區(qū)域圖像。

圖11　NAND Flash區(qū)域提取示意圖

Fig11Schematic diagram of NAND Flash area extraction

324圖像處理算法

圖像處理單元的圖像處理DSP負(fù)責(zé)計(jì)算兩個(gè)圖像處理算法，感興趣區(qū)域提取算法與焦面自動(dòng)校正算法。地面注入想要計(jì)算圖像的存儲(chǔ)區(qū)位置，存儲(chǔ)處理FPGA將圖像數(shù)據(jù)讀取并寫入SRAM中緩存。圖像處理DSP直接訪問SRAM，讀取需要的圖像數(shù)據(jù)并計(jì)算。

3.2.4.1感興趣區(qū)域提取算法

感興趣區(qū)域提取算法的目的是高分相機(jī)對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行拍攝時(shí)，存儲(chǔ)處理系統(tǒng)能夠?qū)D像細(xì)節(jié)豐富的地區(qū)提取出來，下傳回地面。當(dāng)高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)接收到地面注入的感興趣區(qū)域提取指令后，存儲(chǔ)處理FPGA依據(jù)前文的區(qū)域提取模式，依次將目標(biāo)地址的圖像數(shù)據(jù)分塊寫入SRAM中。圖像處理DSP逐行讀取SRAM中存儲(chǔ)的待處理圖像塊內(nèi)容，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理。濾波處理結(jié)果存入內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)中，當(dāng)完成3行待處理濾波圖像數(shù)據(jù)后，使用Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣特征處理和直方圖計(jì)算，使用的卷積模板為：

在整個(gè)圖像塊進(jìn)行完邊緣特征處理和直方圖計(jì)算后，計(jì)算整幅圖像的復(fù)雜度特征結(jié)果，并把結(jié)果反饋回地面。地面根據(jù)該塊的復(fù)雜度特征結(jié)果，能夠識(shí)別出該圖像的內(nèi)容豐富區(qū)域。使用區(qū)域提取方法下行該區(qū)域，能夠有效的提高科學(xué)探測(cè)效率。

3.2.4.2焦面自動(dòng)校正算法

高分相機(jī)抵達(dá)火星后，焦面位置會(huì)由于振動(dòng)等原因造成改變。焦面自動(dòng)校正算法是通過在軌調(diào)焦過程中推掃成像，根據(jù)成像結(jié)果計(jì)算最佳焦面的方法。利用高分相機(jī)焦平面CCD交錯(cuò)拼接結(jié)構(gòu)，推掃時(shí)前后兩排CCD重疊區(qū)域?qū)δ繕?biāo)景物二次成像，在兩次成像之間進(jìn)行焦面調(diào)整，獲取兩幅同一場(chǎng)景不同焦面位置的圖像。重疊區(qū)域?qū)挾葹?16像元尺寸，每個(gè)像元尺寸為8.75 μm，兩排CCD之間間隔為37.8 mm，如圖12所示。

圖12　前后兩排CCD拼接示意圖

Fig12Schematic diagram of two rows of CCD

CCD推掃的行頻與軌道高度相關(guān)，以近火軌道500 km高度為例，行頻約為4.32k行/s，可以計(jì)算兩次焦面調(diào)整成像時(shí)間間隔約為1 s。根據(jù)飛行方向，CCD2右端在t1時(shí)刻先對(duì)目標(biāo)景物A成像，成像結(jié)果為A1。1 s之后的t2時(shí)刻CCD3左端對(duì)景物A成像，成像結(jié)果為A2。高分相機(jī)在t1和t2之間進(jìn)行調(diào)焦并且焦面達(dá)到穩(wěn)定，因此獲得了同一場(chǎng)景不同焦面位置的圖像對(duì)。

同理，CCD2在t2時(shí)刻對(duì)目標(biāo)景物B成像B1，直到t9時(shí)刻對(duì)目標(biāo)景物I成像I1，CCD3在t3時(shí)刻對(duì)目標(biāo)景物B成像B2，直到t10時(shí)刻對(duì)目標(biāo)景物I成像I2，如圖13所示。

圖13　焦面校正時(shí)序示意圖

Fig13Schematic diagram of focal plane correction

比較同一目標(biāo)場(chǎng)景不同焦面位置的圖像對(duì)：A1和A2，B1和B2至I1和I2，獲取9組焦面的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)值，計(jì)算不同焦面質(zhì)量評(píng)價(jià)值的趨勢(shì)曲線，獲取最佳焦面位置。

考慮在軌計(jì)算處理的實(shí)時(shí)性，采用靈敏度較高的灰度值梯度平方作為檢焦函數(shù)［14］：

圖像處理DSP首先對(duì)兩幅圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)計(jì)算，獲得第2幅圖像塊相對(duì)第1幅圖像塊的位移，包括水平方向和垂直方向。根據(jù)位移結(jié)果，對(duì)兩幅圖像數(shù)據(jù)相同位置的圖像塊進(jìn)行邊緣特征計(jì)算，計(jì)算整幅圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)值。質(zhì)量評(píng)價(jià)值更優(yōu)的圖像作為更優(yōu)焦面位置，并把最佳焦面位置通過工程參數(shù)遙測(cè)回地面。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

4.1　圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)試驗(yàn)

高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)進(jìn)行單機(jī)試驗(yàn)，成像數(shù)據(jù)源模擬CCD圖像輸出，全色圖像行頻為8.1 kHz。數(shù)據(jù)源是累加的自檢圖像，行列方向每個(gè)像元較前一像元灰度值自增1，存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)接收并存儲(chǔ)圖像，根據(jù)指令下行給快視設(shè)備，其輸出圖像結(jié)果如圖14所示。存儲(chǔ)后下行的圖像數(shù)據(jù)與圖像源的數(shù)據(jù)一致，無誤碼和丟包問題，表明設(shè)計(jì)的NAND Flash存儲(chǔ)速率及準(zhǔn)確性滿足任務(wù)要求。

圖14　單機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

4.2　圖像數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)

高分相機(jī)進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)3.5 km外的建筑自西向東推掃成像，存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)對(duì)成像系統(tǒng)輸出圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并對(duì)圖像進(jìn)行處理及下行。三片CCD品字形排列，CCD1在上，CCD2在中，CCD3在下。試驗(yàn)列舉CCD3藍(lán)色譜段存儲(chǔ)及處理下行結(jié)果，如圖15所示。其中，（a）是32塊NAND Flash輸出的藍(lán)色譜段原始圖像，取其高8 bit顯示，圖像大小為2 048×1 536，（b）和（c）是對(duì)原始圖像分別進(jìn)行2×2和4×4下采樣結(jié)果。（d）和（e）是對(duì)原始圖像分別進(jìn)行2×2和4×4像元融合結(jié)果。（f）和（g）是對(duì)原始圖像區(qū)域提取試驗(yàn)結(jié)果，將1 536像元分4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域384像元。（f）是第1區(qū)域下行結(jié)果，圖像大小為2 048×384，（g）是第3-4區(qū)域下行結(jié)果，圖像大小為2 048×768。使用不同模式的下行處理方式，能夠大幅的降低圖像的數(shù)據(jù)量，表1列舉了上述外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于原始圖像的壓縮比。

圖15　外場(chǎng)成像試驗(yàn)結(jié)果

表1圖像數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

Tab.1　Statistics of all image data

5 結(jié)　論

本文根據(jù)天問一號(hào)高分相機(jī)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了基于NAND Flash的大容量存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)，首先介紹了存儲(chǔ)的硬件設(shè)計(jì)及存儲(chǔ)機(jī)制，包括存儲(chǔ)區(qū)域劃分及流水線設(shè)計(jì)。然后介紹了在軌新增壞塊的自檢方法。最后列舉了下采樣、像元融合、區(qū)域提取等圖像處理方法。試驗(yàn)結(jié)果證明：高分相機(jī)存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)接收并存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)率達(dá)到3 Gb/s，下行數(shù)據(jù)量最高約可降原數(shù)據(jù)量的4%。滿足高分辨率相機(jī)火星探測(cè)存儲(chǔ)及處理要求。

［1］ 吳偉仁，于登云. 深空探測(cè)發(fā)展與未來關(guān)鍵技術(shù)［J］. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)， 2014， 1（1）： 5-17.

WU W R， YU D Y. Development of deep space exploration and its future key technologies［J］.， 2014， 1（1）： 5-17.（in Chinese）

［2］ 孫澤洲，孟林智. 中國深空探測(cè)現(xiàn)狀及持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)［J］. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 47（6）： 785-791.

SUN Z Z， MENG L Z. Current situation and sustainable development trend of deep space exploration in China［J］.， 2015， 47（6）： 785-791.（in Chinese）

［3］ 葉培建，鄒樂洋，王大軼，等. 中國深空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展及展望［J］. 國際太空， 2018（10）： 4-10.

YE P J， ZOU L Y， WANG D Y，. Development and prospect of Chinese deep space exploration［J］.， 2018（10）： 4-10.（in Chinese）

［4］ 于登云，孫澤洲，孟林智，等. 火星探測(cè)發(fā)展歷程與未來展望［J］. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)， 2016， 3（2）： 108-113.

YU D Y， SUN Z Z， MENG L Z，. The development process and prospects for Mars exploration［J］.， 2016， 3（2）： 108-113.（in Chinese）

［5］ 朱巖，白云飛，王連國，等. 中國首次火星探測(cè)工程有效載荷總體設(shè)計(jì)［J］. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)， 2017， 4（6）： 510-514， 534.

ZHU Y， BAI Y F， WANG L G，. Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration［J］.， 2017， 4（6）： 510-514， 534.（in Chinese）

［6］ 李春來，劉建軍，耿言，等. 中國首次火星探測(cè)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)與有效載荷配置［J］. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)， 2018， 5（5）： 406-413.

LI C L， LIU J J， GENG Y，. Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission［J］.， 2018， 5（5）： 406-413.（in Chinese）

［7］ DELAMEREA，.. MRO High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE）： Instrument Development［C］.， 2003.

［8］ MCEWENA S，. Mars Reconnaissance Orbiter's High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE）［J］.， 2006， 112.

［9］ MCEWEN A S， BANKS M E， BAUGH N，. The high resolution imaging science experiment （HiRISE） during MRO's primary science phase （PSP）［J］.， 2010， 205（1）： 2-37.

［10］ 喬亞飛，李華旺，常亮，等. 基于FPGA的星載NANDFLASH控制器的設(shè)計(jì)［J］. 電子設(shè)計(jì)工程， 2018， 26（14）： 158-161， 166.

QIAO Y F， LI H W， CHANG L，. Design an on-board NAND FLASH controller based on FPGA［J］.， 2018， 26（14）： 158-161， 166.（in Chinese）

［11］ 陶莉，陳萬培. 多通道NAND Flash存儲(chǔ)芯片控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 無線電工程， 2018， 48（9）： 810-815.

TAO L， CHEN W P. Design and implementation of multi-channel NAND flash memory controller［J］.， 2018， 48（9）： 810-815.（in Chinese）

［12］ 楊金寶，李飛，郄軍偉. 基于視頻行場(chǎng)消隱期的大容量FLASH存儲(chǔ)控制器［J］. 光學(xué)精密工程， 2015， 23（4）： 1153-1160.

YANG J B， LI F， QIE J W. Large capacity FLASH video storage controller base on blanking period of line and field signals［J］.， 2015， 23（4）： 1153-1160.（in Chinese）

［13］ 彭卓文，楊新民，王勝紅. 基于FPGA控制的高速大容量NAND FLASH存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)［J］. 電子設(shè)計(jì)工程， 2017， 25（7）： 111-114， 118.

PENG Z W， YANG X M， WANG S H. Design of nandflash memory module with high speed and large capacity based on FPGA［J］.， 2017， 25（7）： 111-114， 118.（in Chinese）

［14］ 盧振華，郭永飛，李云飛，等. 利用CCD拼接實(shí)現(xiàn)推掃式遙感相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦［J］. 光學(xué)精密工程， 2012， 20（7）： 1559-1565.

LU Z H， GUO Y F， LI Y F，. Realization of auto-focus on APRC using CCD stitching［J］.， 2012， 20（7）： 1559-1565.（in Chinese）

Design of image storage and processing system for Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Zheng1，2，HE Yunfeng1，SUN Xingguo3，WU Fanlu1，2，WANG Dong1*

（1，，，130033，；2，，100101，；3，130011，），：

Due to the limited data transmission bandwidth between the Earth and Mars， it is impossible to transmit a large number of high-resolution images back to the ground in real time. The Tianwen-1 high-resolution camera requires the payload itself to have image storage capabilities. Aiming at the huge problem of high-resolution imaging camera imaging data， this paper designs a FPGA based NAND Flash image storage and processing system. First， according to the output requirements of CCD and CMOS image sensors， NAND Flash storage space is divided. Then， in order to solve the problem of high-rate storage， a pipeline storage method was designed. Next， aiming at the problem of newly added bad blocks on orbit， a self-checking method for bad blocks is designed. Finally， in order to solve the problem of tight transmission bandwidth between Earth and Mars， image processing methods such as down-sampling， pixel binning， and region extraction are designed. The test results show that the high-resolution imaging camera storage and processing system receives and stores the image data rate up to 3 Gb/s， and the download data rate can be reduced to about 4% of the original data rate. By using a variety of download working modes， it is possible to obtain rich image data and meet the bottleneck of deep space exploration data transmission.

Tianwen-1； high resolution camera； storage and processing； Field Programmable Gate Array （FPGA）； NAND Flash

V476.4；V445.8

A

10.37188/OPE.20223002.0127

王征（1987），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，2010年、2013年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事空間電子學(xué)設(shè)計(jì)，深空遙感探測(cè)及圖像處理等方面。E-mail：wangzheng@ciomp.ac.cn

王棟（1979），男，山西陽泉人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，2002年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于中國科學(xué)院研究生院獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)、空間電子學(xué)總體設(shè)計(jì)、數(shù)字圖像處理等方面的研究。E-mail：wangd@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0127-10

2020-09-24；

2020-11-09.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.42001345，No.61805001）；中國科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（No.LDSE201901）；