星载ATP图像处理平台关键技术研究
发布时间：2020-12-23 18:30
空间卫星间通信目前主流技术为无线微波通信,但随着世界各国空间探索的不断发展,对多星间建立大容量、保密度高的星间通讯的需求越来越迫切。星间激光通信以其速率高、保密性强而在空间通信领域有着巨大的应用前景。而可靠的星间光通信链路的构建依赖于两星光通信单元的持续对准,对星载捕获、跟踪和瞄准（Acquisition Tracking and Pointing,ATP）系统提出了高的跟踪精度要求。同时由于空间环境与地面环境差别很大,这使得星载ATP成为空间光通信系统中一项难度很大的关键技术。一方面,图像处理平台为实现捕获与高精度的稳定跟踪需要具有高的数据处理能力;另一方面,空间环境的特殊要求,对载荷设备的电子系统在信号完整性、可靠性、体积与功耗、抗太空辐照能力等方面与地面设备有较大差别,使地面ATP图像处理平台不能照搬使用。又因为空间工程技术的敏感性,在公开文献中很少有其它项目图像处理平台的硬件设计细节,针对查阅到公开的国内外星载图像处理平台的研究,其不论是处理能力还是数据架构都不能满足星载ATP的要求。本文正是在这样的背景需求下,开展星载ATP图像处理平台原理样机的研究和研制,为ATP原理样机的...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 序论
1.1 课题研究背景与意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究的意义
1.2 空间图像处理平台发展现状
1.3 本文组织结构
1.4 本章小结
第2章 图像处理平台需求分析
2.1 图像处理平台工作概述
2.2 星载图像处理平台需求分析
2.2.1 抗辐照设计需求分析
2.2.2 小型化与信号完整性需求分析
2.2.3 成像系统相机需求分析
2.2.4 图像处理系统需求分析
2.3 本章小结
第3章 硬件抗辐照加固设计研究
3.1 国内外抗辐照策略概述
3.2 电路总剂量效应防护设计
3.3 电路单粒子效应防护设计
3.3.1 电子系统抗单粒子效应加固的国内外现状
3.3.2 星载ATP图像处理平台单粒子效应加固措施分析
3.3.3 DSP抗辐照冗余启动研究
3.3.3.1 DSP启动原理研究
3.3.3.2 DSP的三模冗余启动设计
3.3.3.3 反熔丝Flash操作逻辑设计
3.3.4 FPGA抗辐照冗余启动研究
3.3.4.1 FPGA的启动原理研究
3.3.4.2 FPGA的三模冗余启动设计
3.3.4.3 FPGA配置状态机分析
3.3.5 单粒子防护效果分析
3.4 本章小结
第4章 成像系统的相机设计与实现
4.1 CMV300、CMV2000传感器简介
4.2 CMV300传感器的应用电路设计
4.3 CMV300传感器的控制设计
4.3.1 CMV300配置设计
4.3.1.1 帧频设置
4.3.1.2 启动状态机设计
4.3.1.3 SPI接口的时序管理
4.3.1.4 数据输出模式
4.3.1.5 核心参数设计
4.4 图像重建与输出
4.4.1 CMV300的数据格式和排列
4.4.2 基于FPGA的ISERDES接收模块
4.4.2.1 FPGA内的ISERDES设计
4.4.3 FPGA的数据重建与输出模块
4.5 曝光与调光策略设计
4.5.1 传感器逐帧调光设计
4.5.2 自动曝光算法设计
4.6 本章小结
第5章 图像处理系统硬件设计研究
5.1 图像处理硬件平台硬件设计规范
5.2 图像处理系统设计
5.2.1 主处理器性能分析
5.2.1.1 DSP性能分析
5.2.1.2 FPGA性能分析
5.2.2 高速存储设计
5.2.2.1 Double Data Rate Sdram 3接口设计
5.2.2.2 Static Ram接口设计
5.2.3 高速通信接口设计
5.2.3.1 Serial RapidIO接口设计
5.2.3.2 External Memory Interface接口设计
5.2.3.3 Low Voltage Differential Signaling总线设计
5.2.4 其它功能电路设计
5.2.4.1 模拟图像输出电路设计
5.2.4.2 电源设计
5.2.4.3 时钟源设计
5.2.5 图像处理系统硬件设计总结
5.3 本章小结
第6章 图像处理系统硬件驱动与数据流管理设计
6.1 BIOS设计
6.2 自定义并行、串性信道的传输协议设计
6.3 JPEG2000压缩图像码流控制设计
6.4 SRIO单元设计
6.4.1 SRIO基本包分析
6.4.2 SRIO链路同步策略
6.4.3 SRIO编码、扰码和效验
6.5 并行处理策略分析
6.5.1 DSP内部并行策略
6.5.1.1 单核内部并行策略
6.5.1.2 多核并行策略
6.5.2 FPGA并行策略
6.6 基于FPGA的图像并行预处理
6.6.1 FPGA内的预处理算法实现
6.7 本章小结
第7章 高速信号完整性分析设计与平台外场实验
7.1 电路模型的建立
7.1.1 传输线模型
7.1.1.1 微带传输线
7.1.1.2 带状传输线
7.1.1.3 差分传输线
7.1.2 IBIS（Input and output Buffer Information Specification）模型
7.1.2.1 IBIS模型的生成
7.1.2.2 IBIS文件格式
7.1.2.3 IBIS本地库的建立
7.2 HYPERLYNX简介
7.3 信号完整性仿真设计
7.3.1 信号的反射仿真设计
7.3.1.1 反射的产生分析
7.3.1.2 反射的处理
7.3.1.3 反射的设计实例
7.3.2 信号的串扰仿真设计
7.3.2.1 串扰的产生分析
7.3.2.2 串扰的处理
7.3.2.3 串扰的设计实例
7.3.3 高速串行
7.3.3.1 高速串行的难点与分析思路
7.3.3.2 高速串行的设计实例
7.4 原理样机外场实验验证
7.5 本章小结
第8章 总结
8.1 本文的主要研究工作和成果
8.2 本文的主要创新点
8.3 下一步工作的展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]科技创新:从跟跑到领跑[J]. 潘建伟. 决策. 2017(06)
[2]基于Hyperlynx的反射仿真与分析[J]. 王蕾,汤伟,褚衍超. 电子设计工程. 2016(23)
[3]地球辐射带动态变化和辐射带粒子快速加速研究[J]. 宗秋刚. 科技创新导报. 2016(20)
[4]遥感卫星产业发展技术路线图[J]. 崔晓如,丁云龙. 科技创新与应用. 2016(23)
[5]视频成像卫星发展现状与启示[J]. 朱厉洪,回征,任德锋,陶孝锋. 卫星应用. 2015(10)
[6]一种基于SERDES与FPGA的高清图像数据接收设计[J]. 罗远彦,曹伟. 数字技术与应用. 2015(05)
[7]龙芯X微处理器抗辐照加固设计[J]. 杨旭,范煜川,范宝峡. 中国科学:信息科学. 2015(04)
[8]一种CMOS图像传感器自动曝光算法的设计及实现[J]. 谭艳丽,赵永强. 电视技术. 2015(03)
[9]静止轨道高分辨率光学成像卫星展示海洋监视的重大潜力[J]. 刘韬. 卫星应用. 2014(12)
[10]国外视频卫星发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(09)
博士论文
[1]星载ATP控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究[D]. 王红举.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[2]卫星光通信捕获跟踪技术研究[D]. 薛正燕.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[3]高精度全天时星敏感器关键技术研究[D]. 何家维.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[4]基于多核DSP的实时图像处理平台研究[D]. 孙科林.电子科技大学 2012
[5]相干激光空间数据传输系统及其多阶波前校正研究[D]. 幺周石.电子科技大学 2010
[6]机器视觉高速图像处理平台中关键技术的研究[D]. 张青林.武汉大学 2010
[7]高能质子辐射效应研究[D]. 王同权.中国人民解放军国防科学技术大学 2003
硕士论文
[1]基于TMS320C6678 DSP的信号采集系统设计与实现[D]. 江伟.电子科技大学 2016
[2]基于CMV300的CMOS相机光电响应特性研究[D]. 张少强.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[3]基于TMS320C6678处理器的图像处理平台设计[D]. 徐赟.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[4]基于FPGA在轨数据处理技术研究[D]. 刘承坤.北京邮电大学 2015
[5]高速电路PCB的信号完整性和电源完整性仿真分析[D]. 鲁莹.西安电子科技大学 2015
[6]基于TI-C6678的多核DSP图像处理系统研究[D]. 苏保禹.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[7]基于FPGA的目标跟踪算法的设计与实现[D]. 赵清华.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[8]基于Hyperlynx的PCB板信号完整性分析[D]. 付兆静.哈尔滨工程大学 2013
[9]高速电路设计中的信号完整性分析[D]. 王雪坤.苏州大学 2013
[10]多级模板图像匹配算法在FPGA上的研究与应用[D]. 薛顺瑞.电子科技大学 2013
本文编号：2934155
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 序论
1.1 课题研究背景与意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究的意义
1.2 空间图像处理平台发展现状
1.3 本文组织结构
1.4 本章小结
第2章 图像处理平台需求分析
2.1 图像处理平台工作概述
2.2 星载图像处理平台需求分析
2.2.1 抗辐照设计需求分析
2.2.2 小型化与信号完整性需求分析
2.2.3 成像系统相机需求分析
2.2.4 图像处理系统需求分析
2.3 本章小结
第3章 硬件抗辐照加固设计研究
3.1 国内外抗辐照策略概述
3.2 电路总剂量效应防护设计
3.3 电路单粒子效应防护设计
3.3.1 电子系统抗单粒子效应加固的国内外现状
3.3.2 星载ATP图像处理平台单粒子效应加固措施分析
3.3.3 DSP抗辐照冗余启动研究
3.3.3.1 DSP启动原理研究
3.3.3.2 DSP的三模冗余启动设计
3.3.3.3 反熔丝Flash操作逻辑设计
3.3.4 FPGA抗辐照冗余启动研究
3.3.4.1 FPGA的启动原理研究
3.3.4.2 FPGA的三模冗余启动设计
3.3.4.3 FPGA配置状态机分析
3.3.5 单粒子防护效果分析
3.4 本章小结
第4章 成像系统的相机设计与实现
4.1 CMV300、CMV2000传感器简介
4.2 CMV300传感器的应用电路设计
4.3 CMV300传感器的控制设计
4.3.1 CMV300配置设计
4.3.1.1 帧频设置
4.3.1.2 启动状态机设计
4.3.1.3 SPI接口的时序管理
4.3.1.4 数据输出模式
4.3.1.5 核心参数设计
4.4 图像重建与输出
4.4.1 CMV300的数据格式和排列
4.4.2 基于FPGA的ISERDES接收模块
4.4.2.1 FPGA内的ISERDES设计
4.4.3 FPGA的数据重建与输出模块
4.5 曝光与调光策略设计
4.5.1 传感器逐帧调光设计
4.5.2 自动曝光算法设计
4.6 本章小结
第5章 图像处理系统硬件设计研究
5.1 图像处理硬件平台硬件设计规范
5.2 图像处理系统设计
5.2.1 主处理器性能分析
5.2.1.1 DSP性能分析
5.2.1.2 FPGA性能分析
5.2.2 高速存储设计
5.2.2.1 Double Data Rate Sdram 3接口设计
5.2.2.2 Static Ram接口设计
5.2.3 高速通信接口设计
5.2.3.1 Serial RapidIO接口设计
5.2.3.2 External Memory Interface接口设计
5.2.3.3 Low Voltage Differential Signaling总线设计
5.2.4 其它功能电路设计
5.2.4.1 模拟图像输出电路设计
5.2.4.2 电源设计
5.2.4.3 时钟源设计
5.2.5 图像处理系统硬件设计总结
5.3 本章小结
第6章 图像处理系统硬件驱动与数据流管理设计
6.1 BIOS设计
6.2 自定义并行、串性信道的传输协议设计
6.3 JPEG2000压缩图像码流控制设计
6.4 SRIO单元设计
6.4.1 SRIO基本包分析
6.4.2 SRIO链路同步策略
6.4.3 SRIO编码、扰码和效验
6.5 并行处理策略分析
6.5.1 DSP内部并行策略
6.5.1.1 单核内部并行策略
6.5.1.2 多核并行策略
6.5.2 FPGA并行策略
6.6 基于FPGA的图像并行预处理
6.6.1 FPGA内的预处理算法实现
6.7 本章小结
第7章 高速信号完整性分析设计与平台外场实验
7.1 电路模型的建立
7.1.1 传输线模型
7.1.1.1 微带传输线
7.1.1.2 带状传输线
7.1.1.3 差分传输线
7.1.2 IBIS（Input and output Buffer Information Specification）模型
7.1.2.1 IBIS模型的生成
7.1.2.2 IBIS文件格式
7.1.2.3 IBIS本地库的建立
7.2 HYPERLYNX简介
7.3 信号完整性仿真设计
7.3.1 信号的反射仿真设计
7.3.1.1 反射的产生分析
7.3.1.2 反射的处理
7.3.1.3 反射的设计实例
7.3.2 信号的串扰仿真设计
7.3.2.1 串扰的产生分析
7.3.2.2 串扰的处理
7.3.2.3 串扰的设计实例
7.3.3 高速串行
7.3.3.1 高速串行的难点与分析思路
7.3.3.2 高速串行的设计实例
7.4 原理样机外场实验验证
7.5 本章小结
第8章 总结
8.1 本文的主要研究工作和成果
8.2 本文的主要创新点
8.3 下一步工作的展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]科技创新:从跟跑到领跑[J]. 潘建伟. 决策. 2017(06)
[2]基于Hyperlynx的反射仿真与分析[J]. 王蕾,汤伟,褚衍超. 电子设计工程. 2016(23)
[3]地球辐射带动态变化和辐射带粒子快速加速研究[J]. 宗秋刚. 科技创新导报. 2016(20)
[4]遥感卫星产业发展技术路线图[J]. 崔晓如,丁云龙. 科技创新与应用. 2016(23)
[5]视频成像卫星发展现状与启示[J]. 朱厉洪,回征,任德锋,陶孝锋. 卫星应用. 2015(10)
[6]一种基于SERDES与FPGA的高清图像数据接收设计[J]. 罗远彦,曹伟. 数字技术与应用. 2015(05)
[7]龙芯X微处理器抗辐照加固设计[J]. 杨旭,范煜川,范宝峡. 中国科学:信息科学. 2015(04)
[8]一种CMOS图像传感器自动曝光算法的设计及实现[J]. 谭艳丽,赵永强. 电视技术. 2015(03)
[9]静止轨道高分辨率光学成像卫星展示海洋监视的重大潜力[J]. 刘韬. 卫星应用. 2014(12)
[10]国外视频卫星发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(09)
博士论文
[1]星载ATP控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究[D]. 王红举.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[2]卫星光通信捕获跟踪技术研究[D]. 薛正燕.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[3]高精度全天时星敏感器关键技术研究[D]. 何家维.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[4]基于多核DSP的实时图像处理平台研究[D]. 孙科林.电子科技大学 2012
[5]相干激光空间数据传输系统及其多阶波前校正研究[D]. 幺周石.电子科技大学 2010
[6]机器视觉高速图像处理平台中关键技术的研究[D]. 张青林.武汉大学 2010
[7]高能质子辐射效应研究[D]. 王同权.中国人民解放军国防科学技术大学 2003
硕士论文
[1]基于TMS320C6678 DSP的信号采集系统设计与实现[D]. 江伟.电子科技大学 2016
[2]基于CMV300的CMOS相机光电响应特性研究[D]. 张少强.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[3]基于TMS320C6678处理器的图像处理平台设计[D]. 徐赟.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[4]基于FPGA在轨数据处理技术研究[D]. 刘承坤.北京邮电大学 2015
[5]高速电路PCB的信号完整性和电源完整性仿真分析[D]. 鲁莹.西安电子科技大学 2015
[6]基于TI-C6678的多核DSP图像处理系统研究[D]. 苏保禹.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[7]基于FPGA的目标跟踪算法的设计与实现[D]. 赵清华.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[8]基于Hyperlynx的PCB板信号完整性分析[D]. 付兆静.哈尔滨工程大学 2013
[9]高速电路设计中的信号完整性分析[D]. 王雪坤.苏州大学 2013
[10]多级模板图像匹配算法在FPGA上的研究与应用[D]. 薛顺瑞.电子科技大学 2013
本文编号：2934155
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