天問一號高分辨率相機圖像存儲及處理系統設計

王征，何云豐，孫興國，吳凡路，王棟*

天問一號高分辨率相機圖像存儲及處理系統設計

王征1，2，何云豐1，孫興國3，吳凡路1，2，王棟1*

（1.中國科學院長春光學精密機械及物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院 月球與深空探測重點實驗室，北京 100101；3.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011）

由于地球和火星之間數據傳輸帶寬受限，無法將大量的高分辨率圖像實時傳回地面，天問一號高分辨率相機需要載荷本身具備圖像存儲能力。針對高分辨率相機成像數據量巨大問題，本文設計了基于FPGA的NAND Flash圖像存儲及處理系統。首先，根據成像系統CCD和CMOS圖像傳感器輸出種類，劃分了NAND Flash存儲空間。接著，為解決高速率存儲問題，設計了流水存儲方法。然后，針對在軌新增壞塊問題，設計了壞塊自檢方法。最后，為解決地火傳輸帶寬緊張問題，設計了下采樣、像元融合、區域提取等圖像處理方法。試驗結果表明，高分相機存儲及處理系統接收并存儲圖像數據率達到3 Gb/s，下行數據量最低約可降至原數據量0.4%。通過使用多種下行工作模式，既能獲取豐富的圖像數據，又能滿足深空探測有限的傳輸速率。

天問一號；高分辨率相機；存儲及處理；現場可編程門陣列（FPGA）；NANDFlash

1 引　言

深空探測是人類對月球及以遠的天體或空間開展的探測活動，作為與地球軌道衛星和載人航天并駕齊驅的航天活動，深空探測不僅是眾多高新技術的高度綜合，也是體現一個國家綜合國力和創新能力的重要標志［1-3］。

和其他行星相比，火星的自然環境與地球更為相似，是人類目前認識最深入的類地行星?；鹦翘綔y是繼月球探測之后行星探測的最大熱點，是未來載人行星探測的重要目標［4］。我國于2020年7月23日成功發射首顆火星探測器——天問一號，天問一號由一個環繞器和一個著陸巡視器組成［5］。高分辨率相機（以下簡稱高分相機）是天問一號環繞器上的7個科學有效載荷之一，其主要科學任務是獲取火星表面重點區域的高分辨率影像，觀測火星表面地質現象的形成和變化過程，為著陸探測優選合適區域提供基礎數據和科學依據。環繞器上所有的載荷由一臺載荷控制器進行控制和管理［6］。

隨著空間科學技術的進步，在軌衛星運行期間產生海量的數據，對數據存儲設備的容量要求也越來越高。HiRISE相機是目前火星探測分辨率最高的相機，搭載在2005年美國發射的火星勘測軌道飛行器（MRO）上，傳回地球近300 TB火星圖像數據。HiRISE相機在火星300公里高度的軌道上，觀測火星地表分辨率最高可以達到0.3米。應對地火傳輸速率低的問題，HiRISE使用了多種工作模式，如CCD傳感器選擇、更改積分時間、binning、14位到8位映射查找表等［7-9］。近年來，NAND Flash因具有存儲容量大、讀寫速度快、易擦除的特點［10］，同時存儲芯片能夠承受溫度的變化、機械的振動和沖擊，具有較高的可靠性，而被廣泛應用于航空航天領域，高分辨率對地觀測設備中［11］。

由于高分相機產生的圖像數據率最高可達3 Gb/s，一次拍攝任務至少需30 s。而地火傳輸的速率僅為幾百Kb/s，并且多個載荷同時執行任務，無法實現實時下傳。本文在高分相機上設計了基于NAND Flash的圖像存儲及處理系統，設計了多種圖像處理模式，解決了高分相機海量圖像數據無法下傳的問題。

2 存儲及處理系統設計

2.1　存儲及處理系統硬件設計

高分相機主體完成光學成像并輸出對圖像數字信號，成像控制箱安裝在相機主體焦面組件的后部，主要完成相機的成像控制功能。高分相機存儲及處理板安裝在相機主體的成像控制箱旁，實時接收并存儲成像系統獲取的圖像數據，如圖1紅框所示為高分相機正樣主體。

當高分相機允許圖像數據下行時，根據地面的要求，對原始圖像數據進行處理，通過LVDS串行接口輸出至環繞器有效載荷控制器，由載荷控制器對各載荷的科學數據進行統一壓縮，載荷控制器設置了多種壓縮比，默認壓縮比為6∶1。

高分相機成像系統負責將三片TDI CCD和兩片CMOS的光信號轉化為電信號，主控系統負責相機的綜合控制和功能管理。存儲及處理系統運行在存儲及處理板上，如圖2所示。包含圖像存儲單元和圖像處理單元，其結構框圖如圖3所示。

圖1　高分相機正樣主體

圖2　高分相機存儲及處理板

圖像存儲單元核心器件為FPGA，使用Xilinx公司的Virtex-2系列宇航級芯片XQR2V3000 4CD717V，300萬門。存儲處理FPGA通過RS-422通訊接口與主控系統進行指令和工程參數的交互，控制三通道NAND Flash存儲圖像數據。NAND Flash采用3D公司的芯片3DFN64G16VS8477 MSA00，共計384 Gb存儲容量。由于高分相機為短時工作，因此存儲處理FPGA控制EEPROM存儲器保存當前存儲地址和新增壞塊地址，控制SRAM存儲器緩存與圖像處理DSP交互的圖像數據。

圖像處理單元的核心器件為圖像處理DSP，型號為SMV320C6701GLPW14，負責實現若干圖像處理算法。

圖3　存儲及處理系統結構框圖

2.2　NAND Flash流水線設計

存儲處理FPGA從3路高速串行LVDS通道接收成像系統發送的3片線陣CCD和2片面陣CMOS數據，CCD和CMOS不同時拍攝。成像系統的CCD圖像由全色譜段、紅色譜段、綠色譜段、藍色譜段及近紅外譜段組成，全色譜段的像元數為6 144，彩色譜段的像元數為1 536。成像系統的CMOS為全色成像，像元數為512×512，數據量遠小于CCD圖像。在265 km近火軌道高度成像時，CCD輸出全色圖像的行頻約為8.1k行/s，每輸出一行全色數據后接一行彩色數據，每個像元用16 bit量化，因此每通道輸出圖像的數據率約為1 Gb/s。

為了能夠滿足1 Gb/s的存儲速率，硬件設計將兩片NAND Flash的控制管腳并聯作為一個通道存儲器。物理上每一通道存儲器根據片選信號可分成4組基片，每組基片包含4 096個塊，每個塊包含64個頁，每個頁的容量為4 096×32 bit，以頁為存儲的基本單位，如圖4所示。存儲處理FPGA控制NAND Flash存儲時，每個時鐘寫入32 bit數據，高16 bit存儲1號像元，低16bit存儲2號像元。寫滿4 096個像元后，頁地址指針指向下一頁。寫滿64頁后，塊地址指針指向下一個塊，直到寫滿所有可存儲的塊為止。使用NAND Flash最高的40 MHz寫入時鐘，能夠實現1.25 Gb/s寫入速度。

圖4　NAND Flash結構示意圖

由于NAND Flash芯片操作機制，每操作完一頁，NAND Flash需要busy一段時間，期間對該基片不能進行操作，時間約為100 μs。若等待busy時間結束后再進行下一頁寫操作，耗時積累會導致存儲速率不足以支撐CCD最高成像速率要求。因此，設計通過控制NAND Flash片選信號方式實現4級流水操作。首先，寫完第1組基片的第一頁后，在第1組基片的busy時間時寫第2組基片的第一頁。然后，同理寫入第3組基片和第4組基片的第一頁。最后，返回第1組基片，此時第1組基片已恢復空閑狀態，繼續寫第1組基片的第二頁［12］。所有寫入過程以此類推，如圖5所示。

圖5　NAND Flash 4級流水存儲示意圖

2.3　NAND Flash存儲空間劃分

第1通道與第3通道NAND Flash既需要寫入CCD數據還需要寫入CMOS數據，若不區分CCD或CMOS直接存儲，不利于地面下行任務的指令控制。為解決此問題，設計將NAND Flash存儲CCD與CMOS的地址分離，劃分空間存儲各自圖像。每通道NAND Flash共計4 096個塊，將0～3 516塊作為CCD的存儲空間，將3 517到3 995塊作為CMOS的存儲空間（第2通道沒有CMOS不進行存儲空間劃分），從3 996到4 090塊作為出廠壞塊的替換地址，將4 091～4 095塊作為新增壞塊備用區域。

成像系統輸出的格式是一包全色，一包彩色交替輸出，彩色又分R、G、B和IR等4個譜段，格式如下P1/R1/P2/G1/P3/B1/P4/IR1/P5/R2……一包全色的數據量是6 154×16 bit，一包彩色的數據量是1 546×16 bit。為了充分利用空間，同時保證各個譜段圖像能夠分開下行，設計將一行全色與一行彩色寫入一個頁中，剩余部分使用數據進行填充，如圖6所示。根據前文的4級流水設計，第一組基片每頁存儲P和R，第二組基片每頁存儲P和G，第三組基片每頁存儲P和B，第四組基片每頁存儲P和IR。CMOS為全色輸出，一包圖像的數據量是522×16 bit，設計將四行CMOS數據寫入一個頁中，剩余部分使用數據進行填充。

圖6　NAND Flash存儲格式及區域劃分

根據設計的存儲格式，對于單次任務的存儲空間可以通過起始、終止兩個塊地址來確定。存儲時起始和終止地址通過工程參數遙測回傳地面，地面系統可根據一次任務中兩個地址建立任務號與存儲空間對應關系。

3 存儲及處理軟件設計

3.1　壞塊管理及自檢設計

由于制造工藝的原因，NAND Flash出廠允許存在一定數量的壞塊，壞塊會影響存儲器讀寫的正確性，影響圖像質量及下行鏈路。用戶可以通過讀取NAND Flash出廠壞塊信息來識別出所有已知壞塊［13］。

存儲處理FPGA通過設計邏輯地址和物理地址的映射關系，針對每一通道NAND Flash建立一個壞塊管理列表。在存儲處理FPGA內部開辟一個4 096×12 bit的RAM存儲空間，每一個邏輯地址存儲其真實的物理地址，寫、讀及擦除時均按照邏輯地址執行，而實際是對NAND Flash的物理地址進行操作，具體替換方法如圖7所示。圖7（a）是壞塊表的初始態，物理地址和邏輯地址一致。根據之前的存儲區域劃分，假設出廠邏輯地址2是壞塊，將邏輯地址2對應的物理地址改為4 001，實現該壞塊與有效塊的替換。其余壞塊以此類推，替換掉所有出廠壞塊，圖7（b）則為最終壞塊管理列表。

圖7　NAND Flash壞塊管理方法

由于NAND Flash只能執行有限的寫入和擦除次數，因此在超過10萬次以上的擦寫時有可能會出現新增的壞塊。根據NAND Flash芯片屬性，在擦除一個塊或寫入一個頁時操作失敗，可以通過讀取狀態標識位的方式判斷該塊為壞塊。存儲處理FPGA將每一通道的NAND Flash出現壞塊時的狀態標識位作為工程參數遙測回地面，實時監測新增壞塊，由地面決定是否執行壞塊自檢。壞塊自檢的目的是修正在軌新增壞塊，對圖像下行正確性進行保障，其操作流程如圖8所示。

圖8　NAND Flash壞塊自檢操作流程

在進行壞塊自檢模式前，NAND Flash存儲器中已經存滿成像系統發送的自校圖形，存儲處理FPGA對NAND Flash存儲器中所有頁的圖像數據的幀頭進行判讀。根據檢測存儲區數據幀頭與自檢圖形不一致方法，可以識別出新增壞塊的位置。自檢結束后，將新壞塊地址在EEPROM中進行備份。再上電時，使用4 091～4 095備用區域地址與新增壞塊地址進行替換，實現在軌新增壞塊處理，每通道NAND Flash可以處理5個新增壞塊。

3.2　圖像處理模式設計

高分相機存儲及處理系統共設計了四種圖像處理模式，分別為下采樣、像元融合、區域提取及圖像處理算法。

321下采樣

存儲處理FPGA具備下行縮略圖的能力，由于成像的圖像分辨率較高，直接對原始圖像抽點能夠有效降低圖像數據量。存儲處理FPGA可以對原始圖像進行2×2、4×4、8×8及16×16下采樣處理。在下行×下采樣數據時，從NAND Flash中正常讀取整個塊的圖像數據，然后在行方向個頁中選擇第1個頁進行下行，列方向每個頁的個像元中選擇第1個像元進行下行，最終實現×縮略圖下行，圖9為2×2抽點示意圖。

圖9　2×2抽點示意圖

322像元融合（binning）

存儲處理FPGA具備像元融合能力，像元融合與下采樣相比，更能準確的表達圖像信息。高分相機可以對原始圖像進行2×2、4×4、8×8及16×16 binning處理，將原始圖像n×n窗口的圖像變為一個像元，其像元值為窗口內所有像元的均值：

binning由高分相機的成像系統與存儲及處理系統配合實行，行方向由成像系統完成n×1 binning，列方向由存儲及處理系統完成1×n binning。存儲處理FPGA在讀取NAND Flash的圖像數據時，將一行中的每n個像元加和平均，實現列方向的1×n binning，圖10為2×2 binning示意圖。

323區域提取

存儲處理FPGA具備原始圖像區域提取的能力，根據地面注入的區域提取指令和參數，下行原始圖像的部分區域。根據上述存儲區域劃分，設計將NAND Flash中1個塊的256行，每行6 144像元的CCD全色圖像數據，等分為16個區域，每個區域像元為256×384。或者將NAND Flash中4個塊的256行，每行1 536像元的CCD彩色圖像數據，等分為4個區域，每個區域像元為256×384，如圖11所示。存儲處理FPGA根據注入的起始列和結束列的數值，進行原始圖像的讀取和下行，最終獲取以256×384像元為基礎圖像塊的區域圖像。

圖11　NAND Flash區域提取示意圖

Fig11Schematic diagram of NAND Flash area extraction

324圖像處理算法

圖像處理單元的圖像處理DSP負責計算兩個圖像處理算法，感興趣區域提取算法與焦面自動校正算法。地面注入想要計算圖像的存儲區位置，存儲處理FPGA將圖像數據讀取并寫入SRAM中緩存。圖像處理DSP直接訪問SRAM，讀取需要的圖像數據并計算。

3.2.4.1感興趣區域提取算法

感興趣區域提取算法的目的是高分相機對未知區域進行拍攝時，存儲處理系統能夠將圖像細節豐富的地區提取出來，下傳回地面。當高分相機存儲及處理系統接收到地面注入的感興趣區域提取指令后，存儲處理FPGA依據前文的區域提取模式，依次將目標地址的圖像數據分塊寫入SRAM中。圖像處理DSP逐行讀取SRAM中存儲的待處理圖像塊內容，并對圖像數據進行中值濾波處理。濾波處理結果存入內部存儲區中，當完成3行待處理濾波圖像數據后，使用Sobel算子對圖像進行邊緣特征處理和直方圖計算，使用的卷積模板為：

在整個圖像塊進行完邊緣特征處理和直方圖計算后，計算整幅圖像的復雜度特征結果，并把結果反饋回地面。地面根據該塊的復雜度特征結果，能夠識別出該圖像的內容豐富區域。使用區域提取方法下行該區域，能夠有效的提高科學探測效率。

3.2.4.2焦面自動校正算法

高分相機抵達火星后，焦面位置會由于振動等原因造成改變。焦面自動校正算法是通過在軌調焦過程中推掃成像，根據成像結果計算最佳焦面的方法。利用高分相機焦平面CCD交錯拼接結構，推掃時前后兩排CCD重疊區域對目標景物二次成像，在兩次成像之間進行焦面調整，獲取兩幅同一場景不同焦面位置的圖像。重疊區域寬度為116像元尺寸，每個像元尺寸為8.75 μm，兩排CCD之間間隔為37.8 mm，如圖12所示。

圖12　前后兩排CCD拼接示意圖

Fig12Schematic diagram of two rows of CCD

CCD推掃的行頻與軌道高度相關，以近火軌道500 km高度為例，行頻約為4.32k行/s，可以計算兩次焦面調整成像時間間隔約為1 s。根據飛行方向，CCD2右端在t1時刻先對目標景物A成像，成像結果為A1。1 s之后的t2時刻CCD3左端對景物A成像，成像結果為A2。高分相機在t1和t2之間進行調焦并且焦面達到穩定，因此獲得了同一場景不同焦面位置的圖像對。

同理，CCD2在t2時刻對目標景物B成像B1，直到t9時刻對目標景物I成像I1，CCD3在t3時刻對目標景物B成像B2，直到t10時刻對目標景物I成像I2，如圖13所示。

圖13　焦面校正時序示意圖

Fig13Schematic diagram of focal plane correction

比較同一目標場景不同焦面位置的圖像對：A1和A2，B1和B2至I1和I2，獲取9組焦面的圖像質量評價值，計算不同焦面質量評價值的趨勢曲線，獲取最佳焦面位置。

考慮在軌計算處理的實時性，采用靈敏度較高的灰度值梯度平方作為檢焦函數［14］：

圖像處理DSP首先對兩幅圖像進行圖像配準計算，獲得第2幅圖像塊相對第1幅圖像塊的位移，包括水平方向和垂直方向。根據位移結果，對兩幅圖像數據相同位置的圖像塊進行邊緣特征計算，計算整幅圖像的質量評價值。質量評價值更優的圖像作為更優焦面位置，并把最佳焦面位置通過工程參數遙測回地面。

4 試驗與結果

4.1　圖像數據存儲試驗

高分相機存儲及處理系統進行單機試驗，成像數據源模擬CCD圖像輸出，全色圖像行頻為8.1 kHz。數據源是累加的自檢圖像，行列方向每個像元較前一像元灰度值自增1，存儲及處理系統接收并存儲圖像，根據指令下行給快視設備，其輸出圖像結果如圖14所示。存儲后下行的圖像數據與圖像源的數據一致，無誤碼和丟包問題，表明設計的NAND Flash存儲速率及準確性滿足任務要求。

圖14　單機試驗結果

4.2　圖像數據處理試驗

高分相機進行外場試驗，對3.5 km外的建筑自西向東推掃成像，存儲及處理系統對成像系統輸出圖像數據進行實時存儲，并對圖像進行處理及下行。三片CCD品字形排列，CCD1在上，CCD2在中，CCD3在下。試驗列舉CCD3藍色譜段存儲及處理下行結果，如圖15所示。其中，（a）是32塊NAND Flash輸出的藍色譜段原始圖像，取其高8 bit顯示，圖像大小為2 048×1 536，（b）和（c）是對原始圖像分別進行2×2和4×4下采樣結果。（d）和（e）是對原始圖像分別進行2×2和4×4像元融合結果。（f）和（g）是對原始圖像區域提取試驗結果，將1 536像元分4個區域，每個區域384像元。（f）是第1區域下行結果，圖像大小為2 048×384，（g）是第3-4區域下行結果，圖像大小為2 048×768。使用不同模式的下行處理方式，能夠大幅的降低圖像的數據量，表1列舉了上述外場試驗結果相對于原始圖像的壓縮比。

圖15　外場成像試驗結果

表1圖像數據量統計

Tab.1　Statistics of all image data

5 結　論

本文根據天問一號高分相機的設計需求，設計了基于NAND Flash的大容量存儲及處理系統，首先介紹了存儲的硬件設計及存儲機制，包括存儲區域劃分及流水線設計。然后介紹了在軌新增壞塊的自檢方法。最后列舉了下采樣、像元融合、區域提取等圖像處理方法。試驗結果證明：高分相機存儲及處理系統接收并存儲圖像數據率達到3 Gb/s，下行數據量最高約可降原數據量的4%。滿足高分辨率相機火星探測存儲及處理要求。

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Design of image storage and processing system for Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Zheng1，2，HE Yunfeng1，SUN Xingguo3，WU Fanlu1，2，WANG Dong1*

（1，，，130033，；2，，100101，；3，130011，），：

Due to the limited data transmission bandwidth between the Earth and Mars， it is impossible to transmit a large number of high-resolution images back to the ground in real time. The Tianwen-1 high-resolution camera requires the payload itself to have image storage capabilities. Aiming at the huge problem of high-resolution imaging camera imaging data， this paper designs a FPGA based NAND Flash image storage and processing system. First， according to the output requirements of CCD and CMOS image sensors， NAND Flash storage space is divided. Then， in order to solve the problem of high-rate storage， a pipeline storage method was designed. Next， aiming at the problem of newly added bad blocks on orbit， a self-checking method for bad blocks is designed. Finally， in order to solve the problem of tight transmission bandwidth between Earth and Mars， image processing methods such as down-sampling， pixel binning， and region extraction are designed. The test results show that the high-resolution imaging camera storage and processing system receives and stores the image data rate up to 3 Gb/s， and the download data rate can be reduced to about 4% of the original data rate. By using a variety of download working modes， it is possible to obtain rich image data and meet the bottleneck of deep space exploration data transmission.

Tianwen-1； high resolution camera； storage and processing； Field Programmable Gate Array （FPGA）； NAND Flash

V476.4；V445.8

A

10.37188/OPE.20223002.0127

王征（1987），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，2010年、2013年于吉林大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事空間電子學設計，深空遙感探測及圖像處理等方面。E-mail：wangzheng@ciomp.ac.cn

王棟（1979），男，山西陽泉人，博士，研究員，碩士生導師，2002年于長春理工大學獲得學士學位，2007年于中國科學院研究生院獲得博士學位，主要從事空間光學遙感器總體設計、空間電子學總體設計、數字圖像處理等方面的研究。E-mail：wangd@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0127-10

2020-09-24；

2020-11-09.

國家自然科學基金青年科學基金項目（No.42001345，No.61805001）；中國科學院月球與深空探測重點實驗室開放基金資助項目（No.LDSE201901）；