“高分二號”衛星遙感相機圖像采集與功能驗證系統設計

黃偉 姜海濱 于雙江 林悅 陳原

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

近年來，高分遙感衛星的研制發展迅猛，體現出高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率以及高輻射分辨率的特點[1-3]。我國十分重視高分遙感衛星的發展，高分辨率對地觀測專項已列為國家重大科技專項之一[4]，已發射和在研的高分遙感衛星近十顆。相機的高分辨率和寬覆蓋使得圖像數據量成倍增長，推動相機數據傳輸方式由低速并行向高速串行發展[5]。為了提高數傳接口傳輸效率，有效利用下行鏈路帶寬，星上圖像都需要經過壓縮處理[6]，先進的精細化壓縮算法已經在星上應用[7]。各種改善圖像品質的處理技術也在星上得到應用，如探測器響應不一致性校正[8]以及圖像增強算法等[9-10]。“高分二號”（GF-2）衛星遙感相機的分辨率已達亞米級，采用高速串行數傳接口，星上對全色圖像進行 JPEG2000圖像壓縮，同時還采用了特定的校正算法改善圖像品質。

先進的遙感成像系統需要優秀的地面圖像采集與分析系統與之相適應。傳統圖像采集設備以低電壓差分信號并行數據接口為主，與GF-2衛星遙感相機的串行接口形式不兼容；并行傳輸時鐘在100MHz，數據寬度在 16bit以上時，數據的穩定傳輸必須考慮數據與時鐘沿對齊的問題，這將會給硬件設計帶來很大的挑戰[11]。因此，并行傳輸速率一般在1.6Gbit/s以下，不能滿足GF-2衛星相機2Gbit/s高速數據傳輸速率的要求；地面圖像采集與分析系統多為通用設備，難以滿足相機星上算法驗證的定制需求。

本文設計了一種圖像采集及功能驗證系統，對 GF-2衛星相機的視頻處理功能進行快速地面驗證。該系統可以完成遙感器高速串行輸出的圖像數據格式轉換、數據處理以及圖像顯示，并完成串行數傳鏈路穩定性測試、圖像壓縮功能的驗證。

1 系統硬件的設計

1.1 硬件設計

系統功能框圖如圖1所示，系統采用4片與GF-2衛星相機圖像數傳接口兼容的SerdDes芯片作為圖像輸入接口，可同時接收4路高速串行圖像信號輸入，單路峰值數據速率可達2.7Gbit/s；集成4片壓縮和解壓芯片，可同時對4路JPEG2000格式的圖像數據進行壓縮或解壓縮，在不可逆模式下，單路處理峰值速率為6.5×107次/s；使用專用轉換芯片完成并行接口到CameraLink圖采接口的轉換，CameraLink接口輸出80MHz、24bit寬的圖像數據到上位機進行快速顯示。系統集成了2片DDR2緩存，單片容量為2Gbyte，位寬可根據實際需要配置為16或32bit。為了滿足后續圖像測試的需求，還集成了USB主控接口以及16bit并行數據輸入接口。在硬件設計中，如何保證2Gbit/s數傳鏈路的穩定性以及實現高速大容量數據緩存是系統的設計難點。

圖1 圖像采集及功能驗證系統結構Fig.1 Diagram of image acquisition and function verification system function

1.2 高速串行傳輸接口

在高速遠距離數據傳輸應用中，并行接口體積大、數據線多，不利于PCB布線，高速下時鐘和數據位難以對齊。為了保證數據的可靠傳輸，GF-2衛星相機采用TLK2711芯片作為數傳接口。與之相適應，本系統數據接口也選用TLK2711接口芯片。芯片工作參考時鐘為80～135MHz。在發送端，芯片將16bit并行數據進行8B/10B編碼成20bit數據，以20倍TxClk時鐘完成并串轉換發送，串行速率為1.6～2.7Gbit/s。在數據接收端，在同頻TxClk時鐘基準下，完成串并轉換以及8B/10B解碼工作。

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

在信號完整性處理上，對并行數據進行等長約束，對時鐘和數據進行源端匹配，熱焊盤良好接地；串行數據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

系統采用2片2Gbit DDR2緩存，以實現大容量圖像數據的高速緩存。設計2片DDR2可以根據需要單獨工作或者以并行的方式工作。

為了保證DDR2的工作時序要求，在PCB設計時就要保證數據線、地址線、控制線以及時鐘信號之間有相同的延時。為此，PCB設計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，對應時鐘與之等長（±0.635mm）；

2）2片DDR2地址信號之間做±1.27mm等長約束，數據標志信號等長做±0.635mm的等長約束；

3）數據端口有效信號DQ加33?匹配電阻。

2 相機功能驗證

2.1 成像功能驗證

相機成像功能驗證是指對相機輸出的數據進行采集和分析。GF-2衛星相機數傳接口串行速率為2Gbit/s，并串轉換前數傳格式如圖2所示，幀頭為0X5CFB，幀尾為0XFDFE，幀長為6 192像元。系統首先通過TLK2711芯片接收2Gbit/s串行信號，完成串并轉換。現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）接收并行信號，處理成標準CameraLink數傳格式，用CameraLink接口傳輸給上位機，由其進行顯示和分析。

系統FPGA對圖像數據格式進行檢測，包括幀頭、幀尾、幀長。檢測結果以指示燈的方式進行顯示。經測試，上位機圖像接收和顯示穩定。CameraLink采集卡時鐘速率最高為 80MHz，可滿足本文所設計驗證系統的需求。

2.2 高速數傳接口的可靠性測試

為了確保Gbit數傳接口可靠穩定，必須保證傳輸鏈路具有較低的誤碼率。利用此系統對GF-2衛星相機的誤碼率進行了測試。首先測試決定高速數傳穩定性的參考時鐘的信號品質，然后利用 Agilent誤碼儀實際測試了數傳接口的誤碼率。

TxClk的信號品質測試波形如圖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數量級；眼圖清晰明顯，說明波形品質較好；根據頻率抖動測試結果，如圖 3（c）所示，抖動峰—峰值在40ps范圍內，滿足器件工作要求。

圖3 SerDes參考時鐘TxClk品質測試結果Fig.3 TxClk test result of one SerDes chip

Agilent誤碼儀檢測傳輸鏈路穩定性的工作原理如圖4所示。相機端產生Agilent誤碼儀能識別的偽隨機碼，參考時鐘為100MHz，并串轉換后以2Gbit/s向本板發送。本板接收到串行信號后，先完成串并轉換，然后由FPGA將偽隨機碼輸出給Agilent誤碼儀進行檢測。測試結果發現，收發500Gbit數據無一出錯，誤碼率優于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 圖像壓縮驗證

目前，解決圖像數據量日益變大的方案有兩種：1）提高數傳接口的速率[5]；2）減少數傳接口的數據量，即對遙感原始圖像進行預處理如目標識別、云圖去除[13]，僅對感興趣的目標圖像進行下傳，或者對圖像進行壓縮，減少接口數據率[6]。GF-2衛星采用JPEG2000標準對圖像進行壓縮。

JPEG2000壓縮標準是國際標準化組織和國際電信聯盟推出針對圖像的最新壓縮標準，該標準采用離散小波變換技術，既能考察局部時域過程的頻域特征，又能考察局部頻域過程的時域特征，適合應用于遙感圖像壓縮。基于JPEG2000壓縮標準協議的ADV212芯片已成功應用于多種發射型號，在軌運行狀態良好，滿足應用需求。系統采用FPGA+ADV212+DDR2的硬件結構方式，以FPGA作為系統的主控，用DDR2完成輸入圖像數據的緩存處理，由ADV212完成圖像數據的實時壓縮處理。

2.3.1 ADV212工作模式的選擇

ADV212有多種工作模式，而遙感相機的TDICCD工作特點是：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，可以根據不同的應用系統定制為特定圖像或視頻格式。結合空間相機 CCD圖像特點，權衡速度、占用資源和可行性，為了最大限度提升壓縮系統的處理能力，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接口輸入圖像數據，HDATA接口輸出壓縮數據。

2.3.2 壓縮塊選擇

圖像分塊有很多方式，針對本系統的分塊約束條件主要來自于壓縮芯片ADV212。當采用不可逆壓縮模式時，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個像元，深度小于4×103個像元；

3）針對CS模式，最大圖像輸入尺寸為每幅圖像1.048×106個像元。

該相機單片TDICCD全色譜段最大數據率為6.144×107次/s。從圖像壓縮品質以及節省資源的角度出發，利用1片ADV212對量化后的高10bit進行壓縮。由于ADV212芯片要求壓縮數據圖像尺寸最大寬度為4×103個像元，而TDICCD傳感器輸出圖像寬度為6×103個像元，所以需要對圖像進行拆分。滿足ADV212對輸入圖像的約束條件以及本型號應用實際的圖像分塊方式有多種，但TDICCD推掃成像時垂直方向的像元對同一線上景物信息進行積分成像，因此其成像原理決定了一幅圖像的上下2個像素信息相關度要強于左右2個像素信息的相關度，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據進行串并轉換，輸入接口為 FIFO，然后進入壓縮控制模塊進行壓縮塊數據格式編排以及ADV212壓縮控制。根據壓縮芯片要求，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，系統采用乒乓操作，如圖6所示，通過2片DDR2的“乒乓”操作實現了相機輸出數據的流水壓縮處理，當FPGA對DDR2_1進行寫操作時，可以同時對DDR2_2進行讀操作；反之，FPGA對DDR2_1進行讀操作時，可以同時對DDR2_2進行寫操作。待壓縮數據在DDR2中的讀寫“乒乓”操作，可滿足系統ADV212輸入時序以及圖像實時壓縮的要求。

2.3.4 ADV212關鍵寄存器設置及初始化

為了保證ADV212芯片能夠正常進行編碼處理，需要對芯片進行配置，芯片的配置信息主要包括：內部時鐘的配置、工作模式的配置、固件程序載入、編碼參數配置等。依據圖像壓縮要求，芯片關鍵參數設置見表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芯片關鍵參數設置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初始化程序依據特定的指令命令配置ADV212內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。當裝載固件、配置參數完成后，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，當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 結束語

本文設計了一種可靈活配置的圖像采集及功能驗證系統。該系統具有成像接收以及檢測功能、圖像數傳鏈路誤碼率檢測功能、圖像壓縮驗證功能。重點闡述了高速串行數據傳輸、DDR2高速緩存等技術的實現，并使用該系統對 GF-2衛星遙感相機的視頻處理功能進行了驗證。結果表明，本系統具有數據傳輸速率高、數據圖像處理能力強、系統擴展性好的特點，可以滿足目前高分相機測試的需求。

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