“高分二号”卫星遥感相机图像采集与功能验证系统设计

黄伟 姜海滨 于双江 林悦 陈原

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

近年来，高分遥感卫星的研制发展迅猛，体现出高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率的特点[1-3]。我国十分重视高分遥感卫星的发展，高分辨率对地观测专项已列为国家重大科技专项之一[4]，已发射和在研的高分遥感卫星近十颗。相机的高分辨率和宽覆盖使得图像数据量成倍增长，推动相机数据传输方式由低速并行向高速串行发展[5]。为了提高数传接口传输效率，有效利用下行链路带宽，星上图像都需要经过压缩处理[6]，先进的精细化压缩算法已经在星上应用[7]。各种改善图像品质的处理技术也在星上得到应用，如探测器响应不一致性校正[8]以及图像增强算法等[9-10]。“高分二号”（GF-2）卫星遥感相机的分辨率已达亚米级，采用高速串行数传接口，星上对全色图像进行 JPEG2000图像压缩，同时还采用了特定的校正算法改善图像品质。

先进的遥感成像系统需要优秀的地面图像采集与分析系统与之相适应。传统图像采集设备以低电压差分信号并行数据接口为主，与GF-2卫星遥感相机的串行接口形式不兼容；并行传输时钟在100MHz，数据宽度在 16bit以上时，数据的稳定传输必须考虑数据与时钟沿对齐的问题，这将会给硬件设计带来很大的挑战[11]。因此，并行传输速率一般在1.6Gbit/s以下，不能满足GF-2卫星相机2Gbit/s高速数据传输速率的要求；地面图像采集与分析系统多为通用设备，难以满足相机星上算法验证的定制需求。

本文设计了一种图像采集及功能验证系统，对 GF-2卫星相机的视频处理功能进行快速地面验证。该系统可以完成遥感器高速串行输出的图像数据格式转换、数据处理以及图像显示，并完成串行数传链路稳定性测试、图像压缩功能的验证。

1 系统硬件的设计

1.1 硬件设计

系统功能框图如图1所示，系统采用4片与GF-2卫星相机图像数传接口兼容的SerdDes芯片作为图像输入接口，可同时接收4路高速串行图像信号输入，单路峰值数据速率可达2.7Gbit/s；集成4片压缩和解压芯片，可同时对4路JPEG2000格式的图像数据进行压缩或解压缩，在不可逆模式下，单路处理峰值速率为6.5×107次/s；使用专用转换芯片完成并行接口到CameraLink图采接口的转换，CameraLink接口输出80MHz、24bit宽的图像数据到上位机进行快速显示。系统集成了2片DDR2缓存，单片容量为2Gbyte，位宽可根据实际需要配置为16或32bit。为了满足后续图像测试的需求，还集成了USB主控接口以及16bit并行数据输入接口。在硬件设计中，如何保证2Gbit/s数传链路的稳定性以及实现高速大容量数据缓存是系统的设计难点。

图1 图像采集及功能验证系统结构Fig.1 Diagram of image acquisition and function verification system function

1.2 高速串行传输接口

在高速远距离数据传输应用中，并行接口体积大、数据线多，不利于PCB布线，高速下时钟和数据位难以对齐。为了保证数据的可靠传输，GF-2卫星相机采用TLK2711芯片作为数传接口。与之相适应，本系统数据接口也选用TLK2711接口芯片。芯片工作参考时钟为80～135MHz。在发送端，芯片将16bit并行数据进行8B/10B编码成20bit数据，以20倍TxClk时钟完成并串转换发送，串行速率为1.6～2.7Gbit/s。在数据接收端，在同频TxClk时钟基准下，完成串并转换以及8B/10B解码工作。

高速串行/解串芯片的工作机制决定了其参考时钟必须为高精度低抖动[11]。TLK2711对参考时钟TxClk的抖动峰—峰值要求不超过40ps，55～125℃温度范围内频漂小于±10–4Hz[12]。为了满足该芯片对时钟的要求，系统选用EG-2121CA 100MHz晶振作为参考时钟，其抖动峰—峰值典型值为25ps，频率稳定度为±5×10–5Hz。

在信号完整性处理上，对并行数据进行等长约束，对时钟和数据进行源端匹配，热焊盘良好接地；串行数据传输接插件和电缆均选用高等级器件，能有效解决差分信号在传输过程中的信号衰减和噪声问题。

1.3 DDR2高速缓存

系统采用2片2Gbit DDR2缓存，以实现大容量图像数据的高速缓存。设计2片DDR2可以根据需要单独工作或者以并行的方式工作。

为了保证DDR2的工作时序要求，在PCB设计时就要保证数据线、地址线、控制线以及时钟信号之间有相同的延时。为此，PCB设计在过程中需添加以下约束：

1）2片DDR2各自地址信号做±0.635mm等长约束，对应时钟与之等长（±0.635mm）；

2）2片DDR2地址信号之间做±1.27mm等长约束，数据标志信号等长做±0.635mm的等长约束；

3）数据端口有效信号DQ加33Ω匹配电阻。

2 相机功能验证

2.1 成像功能验证

相机成像功能验证是指对相机输出的数据进行采集和分析。GF-2卫星相机数传接口串行速率为2Gbit/s，并串转换前数传格式如图2所示，帧头为0X5CFB，帧尾为0XFDFE，帧长为6 192像元。系统首先通过TLK2711芯片接收2Gbit/s串行信号，完成串并转换。现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）接收并行信号，处理成标准CameraLink数传格式，用CameraLink接口传输给上位机，由其进行显示和分析。

系统FPGA对图像数据格式进行检测，包括帧头、帧尾、帧长。检测结果以指示灯的方式进行显示。经测试，上位机图像接收和显示稳定。CameraLink采集卡时钟速率最高为 80MHz，可满足本文所设计验证系统的需求。

2.2 高速数传接口的可靠性测试

为了确保Gbit数传接口可靠稳定，必须保证传输链路具有较低的误码率。利用此系统对GF-2卫星相机的误码率进行了测试。首先测试决定高速数传稳定性的参考时钟的信号品质，然后利用 Agilent误码仪实际测试了数传接口的误码率。

TxClk的信号品质测试波形如图3所示，通过分析可知，TxClk的浴盆曲线开口较宽，信号误码率在 10–12数量级；眼图清晰明显，说明波形品质较好；根据频率抖动测试结果，如图 3（c）所示，抖动峰—峰值在40ps范围内，满足器件工作要求。

图3 SerDes参考时钟TxClk品质测试结果Fig.3 TxClk test result of one SerDes chip

Agilent误码仪检测传输链路稳定性的工作原理如图4所示。相机端产生Agilent误码仪能识别的伪随机码，参考时钟为100MHz，并串转换后以2Gbit/s向本板发送。本板接收到串行信号后，先完成串并转换，然后由FPGA将伪随机码输出给Agilent误码仪进行检测。测试结果发现，收发500Gbit数据无一出错，误码率优于10–11。

图4 高速串口误码率测试原理Fig.4 Error rate test diagram of high speed SerDes interface

2.3 图像压缩验证

目前，解决图像数据量日益变大的方案有两种：1）提高数传接口的速率[5]；2）减少数传接口的数据量，即对遥感原始图像进行预处理如目标识别、云图去除[13]，仅对感兴趣的目标图像进行下传，或者对图像进行压缩，减少接口数据率[6]。GF-2卫星采用JPEG2000标准对图像进行压缩。

JPEG2000压缩标准是国际标准化组织和国际电信联盟推出针对图像的最新压缩标准，该标准采用离散小波变换技术，既能考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域过程的时域特征，适合应用于遥感图像压缩。基于JPEG2000压缩标准协议的ADV212芯片已成功应用于多种发射型号，在轨运行状态良好，满足应用需求。系统采用FPGA+ADV212+DDR2的硬件结构方式，以FPGA作为系统的主控，用DDR2完成输入图像数据的缓存处理，由ADV212完成图像数据的实时压缩处理。

2.3.1 ADV212工作模式的选择

ADV212有多种工作模式，而遥感相机的TDICCD工作特点是：以行为单位输出图像，没有场和帧的概念。用户自定义（custom specific，TDICS）模式是一种定制工作方式，可以根据不同的应用系统定制为特定图像或视频格式。结合空间相机 CCD图像特点，权衡速度、占用资源和可行性，为了最大限度提升压缩系统的处理能力，选取ADV212的CS模式作为遥感图像压缩工作模式，该模式利用VDATA接口输入图像数据，HDATA接口输出压缩数据。

2.3.2 压缩块选择

图像分块有很多方式，针对本系统的分块约束条件主要来自于压缩芯片ADV212。当采用不可逆压缩模式时，ADV212压缩输入约束为[14-16]：

1）不可逆压缩速率不超过6.5×107次/s；

2）单块待压缩图像宽度小于4×103个像元，深度小于4×103个像元；

3）针对CS模式，最大图像输入尺寸为每幅图像1.048×106个像元。

该相机单片TDICCD全色谱段最大数据率为6.144×107次/s。从图像压缩品质以及节省资源的角度出发，利用1片ADV212对量化后的高10bit进行压缩。由于ADV212芯片要求压缩数据图像尺寸最大宽度为4×103个像元，而TDICCD传感器输出图像宽度为6×103个像元，所以需要对图像进行拆分。满足ADV212对输入图像的约束条件以及本型号应用实际的图像分块方式有多种，但TDICCD推扫成像时垂直方向的像元对同一线上景物信息进行积分成像，因此其成像原理决定了一幅图像的上下2个像素信息相关度要强于左右2个像素信息的相关度，可将尺寸为128×6 144像元的图像拆分成左右2块：块A和块B，如图5所示，采用1片ADV212顺序进行4︰1不可逆压缩。

2.3.3 乒乓操作

SerDes芯片对输入的串行数据进行串并转换，输入接口为 FIFO，然后进入压缩控制模块进行压缩块数据格式编排以及ADV212压缩控制。根据压缩芯片要求，需将128行图像缓存成整块图像，再快速输入到ADV212进行压缩处理。为了解决慢速图像生成和ADV212快速图像输入的矛盾，系统采用乒乓操作，如图6所示，通过2片DDR2的“乒乓”操作实现了相机输出数据的流水压缩处理，当FPGA对DDR2_1进行写操作时，可以同时对DDR2_2进行读操作；反之，FPGA对DDR2_1进行读操作时，可以同时对DDR2_2进行写操作。待压缩数据在DDR2中的读写“乒乓”操作，可满足系统ADV212输入时序以及图像实时压缩的要求。

2.3.4 ADV212关键寄存器设置及初始化

为了保证ADV212芯片能够正常进行编码处理，需要对芯片进行配置，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。依据图像压缩要求，芯片关键参数设置见表1。

图5 图像分块方案Fig.5 Image partition solution

图6 图像压缩乒乓操作示意Fig.6 Image ping-pang operation for compression

表1 ADV212芯片关键参数设置Tab.1 Key parameters of ADV212

初始化模式采用 CS模式，初始化流程如图 7所示。ADV212初始化程序依据特定的指令命令配置ADV212内部直接寄存器和间接寄存器来完成。初始化程序从PLL、BOOT、MMODE和BUSMODE等寄存器的接入开始。当装载固件、配置参数完成后，软件重启，然后再次配置 BUSMODE和MMODE寄存器。固件装载是否正确可以被EIRQFLG寄存器的中断或投票程序证实，当确定固件连接装载和EIRQFLG寄存器清零后，编码开始。若DREQ0有效，ADV212从FIFO读取码流。

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

3 结束语

本文设计了一种可灵活配置的图像采集及功能验证系统。该系统具有成像接收以及检测功能、图像数传链路误码率检测功能、图像压缩验证功能。重点阐述了高速串行数据传输、DDR2高速缓存等技术的实现，并使用该系统对 GF-2卫星遥感相机的视频处理功能进行了验证。结果表明，本系统具有数据传输速率高、数据图像处理能力强、系统扩展性好的特点，可以满足目前高分相机测试的需求。

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