[发明专利]一种多FPGA协同星上实时闪电图像处理系统及方法

说明书

本发明提出了一种多FPGA协同星上实时闪电图像处理系统及方法，包括实时闪电探测处理模块、背景图像数据处理模块、闪电信号与背景图像编码模块，能够实时处理500帧/秒，数据速率高达10.9Gbps原始图像数据完成闪电探测处理。通过8片高性能SRAM型FPGA和4片反熔丝FPGA协同并行图像处理技术，不仅能够有效地检测与识别出闪电信号，同时实现灵活抽取原始背景数据块，完成闪电信号数据与背景数据块组合编码功能。通过反熔丝FPGA抽取原始图像块下传到地面，利用SRAM型FPGA完成瞬态目标的识别与提取。提高了在轨目标识别效能，可满足多用途应用，抗辐照能力强，适合高轨卫星应用。

技术领域

本发明属于星上实时图像处理领域，提出了一种多FPGA协同星上实时闪电图像处理系统及方法，可用于在轨相机图像数据的实时处理进行瞬态闪电信号检测与识别。

背景技术

闪电探测在气象观测方面有重要作用，通过对闪电活动方位、强度及活动频率的监测可以加深对强对流天气的在陆地和海洋分布、结构和变化的了解，及时准确地预报暴雨、飓风等灾害性天气，可在大尺度范围内大幅度地减低人类的生命财产损失。闪电观测是通过500帧/秒高速成像仪得到原始图像，数据量大，海量数据受到星地链路带宽限制，无法传输到地面接收站；同时把有限的图像数据传输到地面再处理不能对闪电这类瞬态目标及时检测、识别与处理，必须依靠在轨处理检测与识别出闪电信号。对于闪电探测这类特殊图像处理，常规星上图像处理方法无法解决此类问题，另外星载设备对于体积、功耗都有严格的约束，地面依赖大型计算机处理方法也不适用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供了一种多FPGA协同星上实时闪电图像处理系统及方法，解决了对海量图像数据高速处理，实时检测与识别出瞬态闪电信号，并且能够灵活提取原始背景数据块，将闪电信号完整检测信息和背景数据块组合编码下传到地面接收站。在掌握闪电活动情况和预报预警强对流天气上具有很好的应用价值。

本发明的技术解决方案是：一种多FPGA协同星上实时闪电图像处理系统，包括实时闪电探测处理模块、背景图像数据处理模块、闪电信号与背景图像编码模块；

实时闪电探测处理模块接收背景图像数据处理模块转发的整帧原始图像数据，循环缓存相邻的多帧数据，根据闪电探测算法，多个FPGA协同并行处理当前帧和缓存的相邻多帧数据，实时检测与识别出当前帧的闪电信号，完成闪电信息编码并输出到闪电信号与背景图像编码模块；

背景图像数据处理模块接收高速串行总线发送来的焦面原始图像数据，并转发给实时闪电探测处理模块，同时根据地面遥控指令从当前帧中抽取指定区域的原始图像数据块；

闪电信号与背景图像编码模块接收实时闪电探测处理模块输出的闪电编码数据，同时接收背景图像数据处理模块输出的指定区域的原始图像数据块，重新组合编码后按照总线标准发送给外部数传设备。

按照SpaceWire总线格式发送给外部数传设备。

所述的实时闪电探测处理模块包括多FPGA并行处理单元、高速循环存储器缓存单元、闪电信号编码单元、数据通信控制单元；

多FPGA并行处理单元接收数据通信控制单元转发的原始图像数据，每个FPGA处理一个分区的闪电图像数据；同时将该分区数据存储在高速循环存储器缓存单元；

高速循环存储器缓存单元是一组随机存储器，使用F帧来进行闪电探测时候，若采用低速随机存储器时，由F个低速随机存储器芯片组成，每个存储器芯片保存一帧图像数据；若采用高速随机存储器时，采用位宽扩展方式，使用两组存储器在像元时间内完成乒乓缓存操作；

闪电信号编码单元完成多FPGA并行处理单元检测出有效闪电信号的信息编码；