深空探测载荷图像压缩系统的设计与实现

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随着中国航天事业的发展，人类探索宇宙的脚步越来越远，对于深空探测图像压缩系统的资源消耗以及可靠性的要求也越来越高。深空中的辐射又极易引起基于FPGA的器件发生单粒子效应，最终导致整个系统瘫痪。本文针对硬件资源不足以及系统可靠性问题，分别通过优化算法的硬件实现方式以及增加容错措施，保证了系统在资源较少的情况下实现图像压缩性能较好的算法，并且保证了系统的可靠性。
　　本文根据火星探测器对图像压缩编码质量的高指标需求，选择以离散小波变换为核心的JPEG2000算法，在型号为XQR2V3000的FPGA平台上，设计并实现了一个完整的深空探测载荷图像压缩系统，并为该图像压缩系统设计了相应的地面测试验证系统。同时，我们详细研究了图像编码器小波变换单元的资源优化以及抗辐照容错设计。
　　本文主要从减少资源和提高系统容错性能两大方面对系统进行设计：
　　1、XQR2V3000仅有300万门逻辑等效门资源，要在其上实现复杂度较高的JPEG2000算法，必须要对JPEG2000的硬件实现结构做较大的优化改进设计。离散小波变换作为JPEG2000的重要组成单元，负责完成图像数据的四级9/7小波变换。对于9/7小波变换来说，每一级变换需要完成四步行提升和四步列提升，其核心的逻辑单元是提升结构。在本系统中，对处理速度要求不高，在对提升结果进行优化的同时，将四级提升由并行改为串行实现，尽可能大地降低逻辑资源开销。
　　2、针对相机输入的原始数据，对前端进行可靠性设计，对其可能出现的错误做出基本的处理，保证数据在进入压缩核之前，是标准的图像格式。主要在图像数据发生错误、缺失、超长等情况进行不同的容错处理。在深空环境中，探测器会受到各种重离子撞击辐射，引起单粒子效应而致使探测器载荷电子设备出现功能故障。本文通过分析传统三模冗余设计的优缺点，给出优化后的三模设计的原理及其优势，并将其设计实现并应用于图像压缩系统中以提高抗辐照容错性能。
　　为了完成对图像压缩系统的完备功能验证和抗辐照容错性能评估，本文设计了一个基于片上系统（SOC）的地面检测验证平台。其主要功能包括模拟相机输出图像数据、传输给压缩系统处理和采集存储压缩码流等。验证平台分别在正常模式和异常模式下对系统进行测试。正常模式下，图像数据符合协议要求，测试系统的基本功能；异常模式下，图像数据出现图像类型错误、参数错误、长度错误等异常，测试系统的容错能力。

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作者
赵静;
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作者单位

西安电子科技大学;

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授予单位西安电子科技大学;
学科电子与通信工程
授予学位硕士
导师姓名雷杰,李郜伟;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类航天探测器;
关键词
深空探测; 图像压缩; 离小波变换; 三模冗余; 片上系统;

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