作者：王宇舟 賈志宏 李彥琴 耿立紅 孫才紅

        摘要：介紹一種基于ADSP21060和Virtex II的星載圖像處理系統(tǒng)。分析了圖像處理系統(tǒng)的功能和任務(wù)，給出了處理系統(tǒng)的硬件結(jié)果、FPGA的功能模塊、DSP的軟件框架和模塊。通過地面原理樣機(jī)開發(fā)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和高效性。

        關(guān)鍵詞：ADSP21060 Virtex II 圖像處理系統(tǒng) 積分器 乒乓結(jié)構(gòu)

        圖像處理系統(tǒng)多采用DSP陣列、DSP加FPGA/CPLD或單由FPGA/CPLD器件等方式構(gòu)成。采用DSP陣列構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是處理功能可以通過軟件靈活修改，其缺點(diǎn)主要有功耗大、體積大、成本高；采用單由FPGA/CPLD等可編程器件構(gòu)成的系統(tǒng)，可以避免DSP陣列系統(tǒng)功耗大、體積大的缺點(diǎn)，并可以根據(jù)系統(tǒng)要求，在硬件構(gòu)造上靈活的配置，但對(duì)于復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)復(fù)雜度急劇上升。正因?yàn)槿绱�，�?dāng)前很多設(shè)計(jì)選擇DSP加FPGA/CPLD的結(jié)構(gòu)來構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)。本空間太陽望遠(yuǎn)鏡星載圖像處理系統(tǒng)，正是一種基于DSP和FPGA構(gòu)造的圖像處理系統(tǒng)。本文討論了系統(tǒng)的功能任務(wù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、FPGA設(shè)計(jì)的邏輯模塊、DSP的軟件結(jié)構(gòu)和原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        
        1 圖像處理系統(tǒng)的功能和任務(wù)

        1．1 系統(tǒng)的外圍接口

        系統(tǒng)的外圍接口如圖1。處理系統(tǒng)收來自CCD單元的圖像數(shù)據(jù)和同步信號(hào)，同時(shí)向CCD單元提供復(fù)位、曝光開始、數(shù)據(jù)讀出等控制信號(hào)；CEU是一個(gè)管理機(jī)，管理和控制CCD單元、圖像處理單元和壓縮單元，CEU單元向圖像處理系統(tǒng)發(fā)送各種命令，如CCD標(biāo)定、正常的觀測(cè)測(cè)試及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理所需要的數(shù)據(jù)，如觀測(cè)模式、時(shí)間等；系統(tǒng)將處理完成的數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)一步壓縮。

        1．2 系統(tǒng)的圖像處理任務(wù)

        圖像處理系統(tǒng)的任務(wù)是接收CCD傳來的圖像和同步信號(hào)，進(jìn)行圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖偏陣計(jì)算和圖像格式化，然后把數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)行壓縮。
        
        1）圖像積分：也就是圖像的多幀疊加，其目的是提高信噪比和消除圖像的時(shí)間相關(guān)性以壓縮數(shù)據(jù)量。空間太陽鏡有三個(gè)觀測(cè)模式，分別是爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式和寧靜態(tài)模式。經(jīng)計(jì)算，三種觀測(cè)模式下圖像積分的幀數(shù)分別是：4幀、24幀、240幀；每個(gè)模式又順次觀測(cè)六個(gè)分量，六個(gè)分量分別是：SV1、SV2、SQ1、SQ2、SU1、SU2。爆發(fā)模式的觀測(cè)時(shí)間是30s。30s的時(shí)間是這樣安排的：每個(gè)分量連續(xù)采集4幀，每秒一幀，然后1s進(jìn)行偏振光學(xué)元件的切換，如此直到六個(gè)分量觀測(cè)完畢�；顒�(dòng)區(qū)模式由6個(gè)連續(xù)的爆發(fā)周期構(gòu)成，觀測(cè)時(shí)間是3min；而寧靜態(tài)模式又是10次活動(dòng)區(qū)構(gòu)成周期構(gòu)成，觀測(cè)周期是30min。

        2）圖像的輻射校正：圖像由于受到大氣振動(dòng)、傳感器自身特性、宇宙射線等輻射的影響，圖像的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生退化，必須進(jìn)行輻射校正。主要考慮CCD的校正（暗流、偏置、平場(chǎng)）和條紋斑點(diǎn)的消除兩個(gè)方面。

        3）圖像的幾何校正：圖像的幾何校正，成像過程中引起的幾何畸變的校正；由于系統(tǒng)或隨機(jī)因素造成圖像產(chǎn)生幾何畸變，必須進(jìn)行校正。考慮圖像漂移的校正，采用相關(guān)技術(shù)，求出活動(dòng)圖像相對(duì)于參考圖像的漂移量，再采用線性內(nèi)插累加的方式，實(shí)現(xiàn)漂移前后圖像的積分問題。根據(jù)太陽米粒的存活壽命，幾何校正只對(duì)寧靜模式觀測(cè)進(jìn)行，并且是以3min作為校正時(shí)間間隔。

        4）圖像的偏振計(jì)算：空間太陽望遠(yuǎn)鏡主要進(jìn)行太陽磁場(chǎng)測(cè)量，磁圖的偏振歸算也是重要任務(wù)之一。磁場(chǎng)圖像的歸算還可以是數(shù)據(jù)量壓縮1.5倍。

        5）圖像模式化：給圖像加上圖像頭，應(yīng)包括：儀器號(hào)、時(shí)