[發明專利]一種多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統及方法

有效

• 申請號: 201711195001.6
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107911702B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 王慶元;武文波;鮑書龍;李曉莉;安源;李強
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: H04N19/423
• 分類號: H04N19/423;H04N19/436;H04N19/85;H04L12/40
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

1.一種多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統，其特征在于：包括實時閃電探測處理模塊、背景圖像數據處理模塊、閃電信號與背景圖像編碼模塊；

實時閃電探測處理模塊接收背景圖像數據處理模塊轉發的整幀原始圖像數據，循環緩存相鄰的多幀數據，根據閃電探測算法，多個FPGA協同并行處理當前幀和緩存的相鄰多幀數據，實時檢測與識別出當前幀的閃電信號，完成閃電信息編碼并輸出到閃電信號與背景圖像編碼模塊；

背景圖像數據處理模塊接收高速串行總線發送來的焦面原始圖像數據，并轉發給實時閃電探測處理模塊，同時根據地面遙控指令從當前幀中抽取指定區域的原始圖像數據塊；

閃電信號與背景圖像編碼模塊接收實時閃電探測處理模塊輸出的閃電編碼數據，同時接收背景圖像數據處理模塊輸出的指定區域的原始圖像數據塊，重新組合編碼后按照總線標準發送給外部數傳設備；

所述的實時閃電探測處理模塊包括多FPGA并行處理單元、高速循環存儲器緩存單元、閃電信號編碼單元、數據通信控制單元；

多FPGA并行處理單元接收數據通信控制單元轉發的原始圖像數據，每個FPGA處理一個分區的閃電圖像數據；同時將該分區數據存儲在高速循環存儲器緩存單元；

所述高速循環存儲器緩存單元是一組隨機存儲器，使用F幀來進行閃電探測時候，若采用低速隨機存儲器時，由F個低速隨機存儲器芯片組成，每個存儲器芯片保存一幀圖像數據；若采用高速隨機存儲器時，采用位寬擴展方式，使用兩組存儲器在像元時間內完成乒乓緩存操作，具體為：使用兩組DDR2，每組一個存儲單位要緩存6幀的同一個像元位置的數據，擴展后位寬是72bits；每處理一個當前幀像元的數據就讀出臨近6幀同一像元位置的數據，然后將最臨近的5幀像元數據與當前幀像元的數據拼成72bits數據寫入另一組DDR2里；

閃電信號編碼單元完成多FPGA并行處理單元檢測出有效閃電信號的信息編碼；

數據通信控制單元作為與背景圖像數據處理模塊的接口，接收背景圖像數據處理模塊轉發的整幀原始圖像數據，將該幀原始圖像數據分發給多FPGA并行處理單元的每個FPGA，接收閃電信號編碼單元輸出的閃電編碼數據轉發給閃電信號與背景圖像編碼模塊。

2.根據權利要求1所述的一種多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統，其特征在于：按照SpaceWire總線格式發送給外部數傳設備。

3.根據權利要求1所述的多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統，其特征在于：所述的多FPGA并行處理單元采用N片SRAM型FPGA，當接收到數據通信控制單元轉發的原始圖像數據時，每個SRAM型FPGA處理一個分區的閃電圖像數據。

4.根據權利要求3所述的多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統，其特征在于：所述根據FPGA的數量將一個圖像幀分成N個分區，每個SRAM型FPGA處理一個分區的閃電圖像數據的具體處理方式為：首先將分區數據存儲在FPGA的片內存儲器，同時將該分區數據存儲在由N個區域組成高速循環存儲器緩存單元的一個區域，然后讀取高速循環存儲器緩存單元其它區域存儲的前N-1幀的相同位置分區數據；對當前幀的分區中每個像元幅值進行限幅，如果像元幅值大于信號限幅設定值，則用信號限幅設定值代替當前像元幅值進行背景評估，否則直接使用當前幅值進行背景評估值計算；根據前幾幀和當前幀的同一像元位置的幅值進行加權求和，如果當前像元幅值大于背景評估值那么判斷該像元位置有可能存在閃電信號，反之判斷該像元位置不存在閃電信號；設置一組閾值分級表，根據背景評估值在閾值表中查找對應的閾值，將備選閃電像元的幅值與背景評估值做減后的信號值與閾值進行比較，如果大于閾值，則認為該信號值就是當前像元位置的閃電信號幅值，否則認為該像元位置未發生閃電，不存在閃電信號。

5.根據權利要求3所述的多FPGA協同星上實時閃電圖像處理系統，其特征在于：所述的閃電信號編碼單元對于多FPGA并行處理單元檢測出有效閃電信號進行閃電信息編碼，內容包括閃電位置、閃電強度、背景評估值、閾值、位置校驗碼和閃電時間，閃電時間為當前幀的時刻。