天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计

天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计 Design of image storage and processing system for Tianwen-1 high-resolution camera 1 2 first-author 王　征（1987-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2010年、2013年于吉林大学分别获得学士、硕士学位，主要从事空间电子学设计，深空遥感探测及图像处理等方面。E-mail：wangzheng@ciomp.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498908&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498914&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498911&type= 22.01332855 32.00400925 王　征 （1987-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2010年、2013年于吉林大学分别获得学士、硕士学位，主要从事空间电子学设计，深空遥感探测及图像处理等方面。E-mail： wangzheng@ciomp.ac.cn wangzheng@ciomp.ac.cn 1 3 1 2 1 corresp E-mail： wangd@ciomp.ac.cn E-mail： wangd@ciomp.ac.cn 王　栋（1979-），男，山西阳泉人，博士，研究员，硕士生导师，2002年于长春理工大学获得学士学位，2007年于中国科学院研究生院获得博士学位，主要从事空间光学遥感器总体设计、空间电子学总体设计、数字图像处理等方面的研究。E-mail： wangd@ciomp.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498917&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498923&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498920&type= 22.01332855 32.00400543 王　栋 （1979-），男，山西阳泉人，博士，研究员，硕士生导师，2002年于长春理工大学获得学士学位，2007年于中国科学院研究生院获得博士学位，主要从事空间光学遥感器总体设计、空间电子学总体设计、数字图像处理等方面的研究。E-mail： wangd@ciomp.ac.cn wangd@ciomp.ac.cn 中国科学院 长春光学精密机械及物理研究所，吉林 长春 130033 中国科学院 长春光学精密机械及物理研究所，吉林 长春 130033 Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China 中国科学院 月球与深空探测重点实验室，北京 100101 中国科学院 月球与深空探测重点实验室，北京 100101 Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China 一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130011 一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130011 FAW-Volkswagen Automotive Co.Ltd， Changchun 130011， China FAW-Volkswagen Automotive Co.Ltd， Changchun 130011， China 由于地球和火星之间数据传输带宽受限，无法将大量的高分辨率图像实时传回地面，天问一号高分辨率相机需要载荷本身具备图像存储能力。针对高分辨率相机成像数据量巨大问题，本文设计了基于FPGA的NAND Flash图像存储及处理系统。首先，根据成像系统CCD和CMOS图像传感器输出种类，划分了NAND Flash存储空间。接着，为解决高速率存储问题，设计了流水存储方法。然后，针对在轨新增坏块问题，设计了坏块自检方法。最后，为解决地火传输带宽紧张问题，设计了下采样、像元融合、区域提取等图像处理方法。试验结果表明，高分相机存储及处理系统接收并存储图像数据率达到3 Gb/s，下行数据量最低约可降至原数据量0.4%。通过使用多种下行工作模式，既能获取丰富的图像数据，又能满足深空探测有限的传输速率。 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. 天问一号 高分辨率相机 存储及处理 现场可编程门阵列（FPGA） NAND Flash Tianwen-1 high resolution camera storage and processing Field Programmable Gate Array （FPGA） NAND Flash 1 引　言 1 深空探测是人类对月球及以远的天体或空间开展的探测活动，作为与地球轨道卫星和载人航天并驾齐驱的航天活动，深空探测不仅是众多高新技术的高度综合，也是体现一个国家综合国力和创新能力的重要标志 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。 和其他行星相比，火星的自然环境与地球更为相似，是人类目前认识最深入的类地行星。火星探测是继月球探测之后行星探测的最大热点，是未来载人行星探测的重要目标 ［ 4 4 ］ 。我国于2020年7月23日成功发射首颗火星探测器——天问一号，天问一号由一个环绕器和一个着陆巡视器组成 ［ 5 5 ］ 。高分辨率相机（以下简称高分相机）是天问一号环绕器上的7个科学有效载荷之一，其主要科学任务是获取火星表面重点区域的高分辨率影像，观测火星表面地质现象的形成和变化过程，为着陆探测优选合适区域提供基础数据和科学依据。环绕器上所有的载荷由一台载荷控制器进行控制和管理 ［ 6 6 ］ 。 随着空间科学技术的进步，在轨卫星运行期间产生海量的数据，对数据存储设备的容量要求也越来越高。HiRISE相机是目前火星探测分辨率最高的相机，搭载在2005年美国发射的火星勘测轨道飞行器（MRO）上，传回地球近300 TB火星图像数据。HiRISE相机在火星300公里高度的轨道上，观测火星地表分辨率最高可以达到0.3米。应对地火传输速率低的问题，HiRISE使用了多种工作模式，如CCD传感器选择、更改积分时间、binning、14位到8位映射查找表等 ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ 。近年来，NAND Flash因具有存储容量大、读写速度快、易擦除的特点 ［ 10 10 ］ ，同时存储芯片能够承受温度的变化、机械的振动和冲击，具有较高的可靠性，而被广泛应用于航空航天领域，高分辨率对地观测设备中 ［ 11 11 ］ 。 由于高分相机产生的图像数据率最高可达3 Gb/s，一次拍摄任务至少需30 s。而地火传输的速率仅为几百Kb/s，并且多个载荷同时执行任务，无法实现实时下传。本文在高分相机上设计了基于NAND Flash的图像存储及处理系统，设计了多种图像处理模式，解决了高分相机海量图像数据无法下传的问题。 2 存储及处理系统设计 1 2.1　存储及处理系统硬件设计 2 高分相机主体完成光学成像并输出对图像数字信号，成像控制箱安装在相机主体焦面组件的后部，主要完成相机的成像控制功能。高分相机存储及处理板安装在相机主体的成像控制箱旁，实时接收并存储成像系统获取的图像数据，如 图1 图1 红框所示为高分相机正样主体。 当高分相机允许图像数据下行时，根据地面的要求，对原始图像数据进行处理，通过LVDS串行接口输出至环绕器有效载荷控制器，由载荷控制器对各载荷的科学数据进行统一压缩，载荷控制器设置了多种压缩比，默认压缩比为6∶1。 高分相机成像系统负责将三片TDI CCD和两片CMOS的光信号转化为电信号，主控系统负责相机的综合控制和功能管理。存储及处理系统运行在存储及处理板上，如 图2 图2 所示。包含图像存储单元和图像处理单元，其结构框图如 图3 图3 所示。 图像存储单元核心器件为FPGA，使用Xilinx公司的Virtex-2系列宇航级芯片XQR2V3000 4CD717V，300万门。存储处理FPGA通过RS-422通讯接口与主控系统进行指令和工程参数的交互，控制三通道NAND Flash存储图像数据。NAND Flash采用3D公司的芯片3DFN64G16VS8477 MSA00，共计384 Gb存储容量。由于高分相机为短时工作，因此存储处理FPGA控制EEPROM存储器保存当前存储地址和新增坏块地址，控制SRAM存储器缓存与图像处理DSP交互的图像数据。 图像处理单元的核心器件为图像处理DSP，型号为SMV320C6701GLPW14，负责实现若干图像处理算法。 2.2　NAND Flash流水线设计 2 存储处理FPGA从3路高速串行LVDS通道接收成像系统发送的3片线阵CCD和2片面阵CMOS数据，CCD和CMOS不同时拍摄。成像系统的CCD图像由全色谱段、红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段组成，全色谱段的像元数为6 144，彩色谱段的像元数为1 536。成像系统的CMOS为全色成像，像元数为512×512，数据量远小于CCD图像。在265 km近火轨道高度成像时，CCD输出全色图像的行频约为8.1k行每秒，每输出一行全色数据后接一行彩色数据，每个像元用16 bit量化，因此每通道输出图像的数据率约为1 Gb/s。 为了能够满足1 Gb/s的存储速率，硬件设计将两片NAND Flash的控制管脚并联作为一个通道存储器。物理上每一通道存储器根据片选信号可分成4组基片，每组基片包含4 096个块，每个块包含64个页，每个页的容量为4 096×32 bit，以页为存储的基本单位，如 图4 图4 所示。存储处理FPGA控制NAND Flash存储时，每个时钟写入32 bit数据，高16 bit存储1号像元，低16bit存储2号像元。写满4 096个像元后，页地址指针指向下一页。写满64页后，块地址指针指向下一个块，直到写满所有可存储的块为止。使用NAND Flash最高的40 MHz写入时钟，能够实现1.25 Gb/s写入速度。 由于NAND Flash芯片操作机制，每操作完一页，NAND Flash需要busy一段时间，期间对该基片不能进行操作，时间约为100 μs。若等待busy时间结束后再进行下一页写操作，耗时积累会导致存储速率不足以支撑CCD最高成像速率要求。因此，设计通过控制NAND Flash片选信号方式实现4级流水操作。首先，写完第1组基片的第一页后，在第1组基片的busy时间时写第2组基片的第一页。然后，同理写入第3组基片和第4组基片的第一页。最后，返回第1组基片，此时第1组基片已恢复空闲状态，继续写第1组基片的第二页 ［ 12 12 ］ 。所有写入过程以此类推，如 图5 图5 所示。 2.3　NAND Flash存储空间划分 2 第1通道与第3通道NAND Flash既需要写入CCD数据还需要写入CMOS数据，若不区分CCD或CMOS直接存储，不利于地面下行任务的指令控制。为解决此问题，设计将NAND Flash存储CCD与CMOS的地址分离，划分空间存储各自图像。每通道NAND Flash共计4 096个块，将0~3 516块作为CCD的存储空间，将3 517到3 995块作为CMOS的存储空间（第2通道没有CMOS不进行存储空间划分），从3 996到4 090块作为出厂坏块的替换地址，将4 091~4 095块作为新增坏块备用区域。 成像系统输出的格式是一包全色，一包彩色交替输出，彩色又分R、G、B和IR等4个谱段，格式如下P1/R1/P2/G1/P3/B1/P4/IR1/P5/R2……一包全色的数据量是6 154×16 bit，一包彩色的数据量是1 546×16 bit。为了充分利用空间，同时保证各个谱段图像能够分开下行，设计将一行全色与一行彩色写入一个页中，剩余部分使用数据进行填充，如 图6 图6 所示。根据前文的4级流水设计，第一组基片每页存储P和R，第二组基片每页存储P和G，第三组基片每页存储P和B，第四组基片每页存储P和IR。CMOS为全色输出，一包图像的数据量是522×16 bit，设计将四行CMOS数据写入一个页中，剩余部分使用数据进行填充。 根据设计的存储格式，对于单次任务的存储空间可以通过起始、终止两个块地址来确定。存储时起始和终止地址通过工程参数遥测回传地面，地面系统可根据一次任务中两个地址建立任务号与存储空间对应关系。 3 存储及处理软件设计 1 3.1　坏块管理及自检设计 2 由于制造工艺的原因，NAND Flash出厂允许存在一定数量的坏块，坏块会影响存储器读写的正确性，影响图像质量及下行链路。用户可以通过读取NAND Flash出厂坏块信息来识别出所有已知坏块 ［ 13 13 ］ 。 存储处理FPGA通过设计逻辑地址和物理地址的映射关系，针对每一通道NAND Flash建立一个坏块管理列表。在存储处理FPGA内部开辟一个4 096×12 bit的RAM存储空间，每一个逻辑地址存储其真实的物理地址，写、读及擦除时均按照逻辑地址执行，而实际是对NAND Flash的物理地址进行操作，具体替换方法如 图7 图7 所示。 图7 图7 （a）是坏块表的初始态，物理地址和逻辑地址一致。根据之前的存储区域划分，假设出厂逻辑地址2是坏块，将逻辑地址2对应的物理地址改为4 001，实现该坏块与有效块的替换。其余坏块以此类推，替换掉所有出厂坏块， 图7 图7 （b）则为最终坏块管理列表。 由于NAND Flash只能执行有限的写入和擦除次数，因此在超过10万次以上的擦写时有可能会出现新增的坏块。根据NAND Flash芯片属性，在擦除一个块或写入一个页时操作失败，可以通过读取状态标识位的方式判断该块为坏块。存储处理FPGA将每一通道的NAND Flash出现坏块时的状态标识位作为工程参数遥测回地面，实时监测新增坏块，由地面决定是否执行坏块自检。坏块自检的目的是修正在轨新增坏块，对图像下行正确性进行保障，其操作流程如 图8 图8 所示。 在进行坏块自检模式前，NAND Flash存储器中已经存满成像系统发送的自校图形，存储处理FPGA对NAND Flash存储器中所有页的图像数据的帧头进行判读。根据检测存储区数据帧头与自检图形不一致方法，可以识别出新增坏块的位置。自检结束后，将新坏块地址在EEPROM中进行备份。再上电时，使用4 091~4 095备用区域地址与新增坏块地址进行替换，实现在轨新增坏块处理，每通道NAND Flash可以处理5个新增坏块。 3.2　图像处理模式设计 2 高分相机存储及处理系统共设计了四种图像处理模式，分别为下采样、像元融合、区域提取及图像处理算法。 3 . 2 . 1　下采样 3 存储处理FPGA具备下行缩略图的能力，由于成像的图像分辨率较高，直接对原始图像抽点能够有效降低图像数据量。存储处理FPGA可以对原始图像进行2×2、4×4、8×8及16×16下采样处理。在下行 n × n 下采样数据时，从NAND Flash中正常读取整个块的图像数据，然后在行方向 n 个页中选择第1个页进行下行，列方向每个页的 n 个像元中选择第1个像元进行下行，最终实现 n × n 缩略图下行， 图9 图9 为2×2抽点示意图。 3 . 2 . 2　像元融合（binning） 3 存储处理FPGA具备像元融合能力，像元融合与下采样相比，更能准确的表达图像信息。高分相机可以对原始图像进行2×2、4×4、8×8及16×16 binning处理，将原始图像n×n窗口的图像变为一个像元，其像元值为窗口内所有像元的均值： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><munder><mo movablelimits="false">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>∈</mo><mi>w</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munder><mrow><mrow><mrow><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499013&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499009&type= 23.11400032 7.02733374 . binning由高分相机的成像系统与存储及处理系统配合实行，行方向由成像系统完成 n ×1 binning，列方向由存储及处理系统完成1× n binning。存储处理FPGA在读取NAND Flash的图像数据时，将一行中的每n个像元加和平均，实现列方向的1× n binning， 图10 图10 为2×2 binning示意图。 3 . 2 . 3　区域提取 3 存储处理FPGA具备原始图像区域提取的能力，根据地面注入的区域提取指令和参数，下行原始图像的部分区域。根据上述存储区域划分，设计将NAND Flash中1个块的256行，每行6 144像元的CCD全色图像数据，等分为16个区域，每个区域像元为256×384。或者将NAND Flash中4个块的256行，每行1 536像元的CCD彩色图像数据，等分为4个区域，每个区域像元为256×384，如 图11 图11 所示。存储处理FPGA根据注入的起始列和结束列的数值，进行原始图像的读取和下行，最终获取以256×384像元为基础图像块的区域图像。 3 . 2 . 4　图像处理算法 3 图像处理单元的图像处理DSP负责计算两个图像处理算法，感兴趣区域提取算法与焦面自动校正算法。地面注入想要计算图像的存储区位置，存储处理FPGA将图像数据读取并写入SRAM中缓存。图像处理DSP直接访问SRAM，读取需要的图像数据并计算。 3.2.4.1　感兴趣区域提取算法 4 感兴趣区域提取算法的目的是高分相机对未知区域进行拍摄时，存储处理系统能够将图像细节丰富的地区提取出来，下传回地面。当高分相机存储及处理系统接收到地面注入的感兴趣区域提取指令后，存储处理FPGA依据前文的区域提取模式，依次将目标地址的图像数据分块写入SRAM中。图像处理DSP逐行读取SRAM中存储的待处理图像块内容，并对图像数据进行中值滤波处理。滤波处理结果存入内部存储区中，当完成3行待处理滤波图像数据后，使用Sobel算子对图像进行边缘特征处理和直方图计算，使用的卷积模板为： <math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd><mtd><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd><mtd><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd><mtd><mn mathvariant="normal">2</mn></mtd><mtd><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499036&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499033&type= 34.03599930 13.46199989 . 在整个图像块进行完边缘特征处理和直方图计算后，计算整幅图像的复杂度特征结果，并把结果反馈回地面。地面根据该块的复杂度特征结果，能够识别出该图像的内容丰富区域。使用区域提取方法下行该区域，能够有效的提高科学探测效率。 3.2.4.2　焦面自动校正算法 4 高分相机抵达火星后，焦面位置会由于振动等原因造成改变。焦面自动校正算法是通过在轨调焦过程中推扫成像，根据成像结果计算最佳焦面的方法。利用高分相机焦平面CCD交错拼接结构，推扫时前后两排CCD重叠区域对目标景物二次成像，在两次成像之间进行焦面调整，获取两幅同一场景不同焦面位置的图像。重叠区域宽度为116像元尺寸，每个像元尺寸为8.75 μm，两排CCD之间间隔为37.8 mm，如 图12 图12 所示。 CCD推扫的行频与轨道高度相关，以近火轨道500 km高度为例，行频约为4.32k行/s，可以计算两次焦面调整成像时间间隔约为1 s。根据飞行方向，CCD2右端在t1时刻先对目标景物A成像，成像结果为A1。1 s之后的t2时刻CCD3左端对景物A成像，成像结果为A2。高分相机在t1和t2之间进行调焦并且焦面达到稳定，因此获得了同一场景不同焦面位置的图像对。 同理，CCD2在t2时刻对目标景物B成像B1，直到t9时刻对目标景物I成像I1，CCD3在t3时刻对目标景物B成像B2，直到t10时刻对目标景物I成像I2，如 图13 图13 所示。 比较同一目标场景不同焦面位置的图像对：A1和A2，B1和B2至I1和I2，获取9组焦面的图像质量评价值，计算不同焦面质量评价值的趋势曲线，获取最佳焦面位置。 考虑在轨计算处理的实时性，采用灵敏度较高的灰度值梯度平方作为检焦函数 ［ 14 14 ］ ： <math display="block" id="M3"><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mfenced open="{" close="}" separators="|"><mrow><mo stretchy="false">|</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">|</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mo stretchy="false">|</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">|</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfenced></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499052&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499050&type= 95.41933441 8.97466660 ， 其中： <math id="M4"><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499056&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499054&type= 9.73666668 3.97933316 表示图像 <math id="M5"><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499061&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499059&type= 7.11199999 3.97933316 点的灰度值， <math id="M6"><mi>k</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499067&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24499063&type= 1.69333339 2.79399991 表示离焦量， m 、 n 表示图像的长度和宽度。 图像处理DSP首先对两幅图像进行图像配准计算，获得第2幅图像块相对第1幅图像块的位移，包括水平方向和垂直方向。根据位移结果，对两幅图像数据相同位置的图像块进行边缘特征计算，计算整幅图像的质量评价值。质量评价值更优的图像作为更优焦面位置，并把最佳焦面位置通过工程参数遥测回地面。 4 试验与结果 1 4.1　图像数据存储试验 2 高分相机存储及处理系统进行单机试验，成像数据源模拟CCD图像输出，全色图像行频为8.1 kHz。数据源是累加的自检图像，行列方向每个像元较前一像元灰度值自增1，存储及处理系统接收并存储图像，根据指令下行给快视设备，其输出图像结果如 图14 图14 所示。存储后下行的图像数据与图像源的数据一致，无误码和丢包问题，表明设计的NAND Flash存储速率及准确性满足任务要求。 4.2　图像数据处理试验 2 高分相机进行外场试验，对3.5 km外的建筑自西向东推扫成像，存储及处理系统对成像系统输出图像数据进行实时存储，并对图像进行处理及下行。三片CCD品字形排列，CCD1在上，CCD2在中，CCD3在下。试验列举CCD3蓝色谱段存储及处理下行结果，如 图15 图15 所示。其中，（a）是32块NAND Flash输出的蓝色谱段原始图像，取其高8 bit显示，图像大小为2 048× 1 536，（b）和（c）是对原始图像分别进行2×2和4×4下采样结果。（d）和（e）是对原始图像分别进行2×2和4×4像元融合结果。（f）和（g）是对原始图像区域提取试验结果，将1 536像元分4个区域，每个区域384像元。（f）是第1区域下行结果，图像大小为2 048×384，（g）是第3-4区域下行结果，图像大小为2 048×768。使用不同模式的下行处理方式，能够大幅的降低图像的数据量， 表1 表1 列举了上述外场试验结果相对于原始图像的压缩比。 图像序号 数据量/Mb 压缩比 a 48 1 b 12 4∶1 c 3 16∶1 d 12 4∶1 e 3 16∶1 f 12 4∶1 g 24 2∶1 5 结　论 1 本文根据天问一号高分相机的设计需求，设计了基于NAND Flash的大容量存储及处理系统，首先介绍了存储的硬件设计及存储机制，包括存储区域划分及流水线设计。然后介绍了在轨新增坏块的自检方法。最后列举了下采样、像元融合、区域提取等图像处理方法。试验结果证明：高分相机存储及处理系统接收并存储图像数据率达到3 Gb/s，下行数据量最高约可降原数据量的4%。满足高分辨率相机火星探测存储及处理要求。 参考文献 吴伟仁 ， 于登云 . 深空探测发展与未来关键技术 ［J］. 深空探测学报 ， 2014 ， 1 （ 1 ）： 5 - 17 . 深空探测发展与未来关键技术 WU W R ， YU D Y . Development of deep space exploration and its future key technologies ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2014 ， 1 （ 1 ）： 5 - 17 . （in Chinese） Development of deep space exploration and its future key technologies 孙泽洲 ， 孟林智 . 中国深空探测现状及持续发展趋势 ［J］. 南京航空航天大学学报 ， 2015 ， 47 （ 6 ）： 785 - 791 . doi: 10.16356/j.1005-2615.2015.06.001 http://dx.doi.org/10.16356/j.1005-2615.2015.06.001 中国深空探测现状及持续发展趋势 SUN Z Z ， MENG L Z . Current situation and sustainable development trend of deep space exploration in China ［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics ， 2015 ， 47 （ 6 ）： 785 - 791 . （in Chinese） . doi: 10.16356/j.1005-2615.2015.06.001 http://dx.doi.org/10.16356/j.1005-2615.2015.06.001 Current situation and sustainable development trend of deep space exploration in China 叶培建 ， 邹乐洋 ， 王大轶 ， 等 . 中国深空探测领域发展及展望 ［J］. 国际太空 ， 2018 （ 10 ）： 4 - 10 . doi: 10.3969/j.issn.1009-2366.2018.10.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-2366.2018.10.002 中国深空探测领域发展及展望 YE P J ， ZOU L Y ， WANG D Y ， et al . Development and prospect of Chinese deep space exploration ［J］. Space International ， 2018 （ 10 ）： 4 - 10 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-2366.2018.10.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-2366.2018.10.002 Development and prospect of Chinese deep space exploration 于登云 ， 孙泽洲 ， 孟林智 ， 等 . 火星探测发展历程与未来展望 ［J］. 深空探测学报 ， 2016 ， 3 （ 2 ）： 108 - 113 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.002 火星探测发展历程与未来展望 YU D Y ， SUN Z Z ， MENG L Z ， et al . The development process and prospects for Mars exploration ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2016 ， 3 （ 2 ）： 108 - 113 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.002 The development process and prospects for Mars exploration 朱岩 ， 白云飞 ， 王连国 ， 等 . 中国首次火星探测工程有效载荷总体设计 ［J］. 深空探测学报 ， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 中国首次火星探测工程有效载荷总体设计 ZHU Y ， BAI Y F ， WANG L G ， et al . Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration 李春来 ， 刘建军 ， 耿言 ， 等 . 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置 ［J］. 深空探测学报 ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 . 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置 LI C L ， LIU J J ， GENG Y ， et al . Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 . （in Chinese） Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission DELAMEREA ， et al .. MRO High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE）： Instrument Development ［C］. Sixth International Conference on Mars ， 2003 . doi: 10.2514/6.iac-04-q.3.b.02 http://dx.doi.org/10.2514/6.iac-04-q.3.b.02 MRO High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE）： Instrument Development MCEWENA S ， et al . Mars Reconnaissance Orbiter's High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE） ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres ， 2006 ， 112 . doi: 10.1029/2007je002968 http://dx.doi.org/10.1029/2007je002968 Mars Reconnaissance Orbiter's High Resolution Imaging Science Experiment （HiRISE） MCEWEN A S ， BANKS M E ， BAUGH N ， et al . The high resolution imaging science experiment （HiRISE） during MRO's primary science phase （PSP） ［J］. Icarus ， 2010 ， 205 （ 1 ）： 2 - 37 . The high resolution imaging science experiment （HiRISE） during MRO's primary science phase （PSP） 乔亚飞 ， 李华旺 ， 常亮 ， 等 . 基于FPGA的星载NANDFLASH控制器的设计 ［J］. 电子设计工程 ， 2018 ， 26 （ 14 ）： 158 - 161， 166 . 基于FPGA的星载NANDFLASH控制器的设计 QIAO Y F ， LI H W ， CHANG L ， et al . Design an on-board NAND FLASH controller based on FPGA ［J］. Electronic Design Engineering ， 2018 ， 26 （ 14 ）： 158 - 161， 166 . （in Chinese） Design an on-board NAND FLASH controller based on FPGA 陶莉 ， 陈万培 . 多通道NAND Flash存储芯片控制器的设计与实现 ［J］. 无线电工程 ， 2018 ， 48 （ 9 ）： 810 - 815 . doi: 10.3969/j.issn.1003-3106.2018.09.18 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-3106.2018.09.18 多通道NAND Flash存储芯片控制器的设计与实现 TAO L ， CHEN W P . Design and implementation of multi-channel NAND flash memory controller ［J］. Radio Engineering ， 2018 ， 48 （ 9 ）： 810 - 815 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1003-3106.2018.09.18 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-3106.2018.09.18 Design and implementation of multi-channel NAND flash memory controller 杨金宝 ， 李飞 ， 郄军伟 . 基于视频行场消隐期的大容量FLASH存储控制器 ［J］. 光学 精密工程 ， 2015 ， 23 （ 4 ）： 1153 - 1160 . doi: 10.3788/OPE.20152304.1153 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152304.1153 基于视频行场消隐期的大容量FLASH存储控制器 YANG J B ， LI F ， QIE J W . Large capacity FLASH video storage controller base on blanking period of line and field signals ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 4 ）： 1153 - 1160 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20152304.1153 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152304.1153 Large capacity FLASH video storage controller base on blanking period of line and field signals 彭卓文 ， 杨新民 ， 王胜红 . 基于FPGA控制的高速大容量NAND FLASH存储模块设计 ［J］. 电子设计工程 ， 2017 ， 25 （ 7 ）： 111 - 114， 118 . 基于FPGA控制的高速大容量NAND FLASH存储模块设计 PENG Z W ， YANG X M ， WANG S H . Design of nandflash memory module with high speed and large capacity based on FPGA ［J］. Electronic Design Engineering ， 2017 ， 25 （ 7 ）： 111 - 114， 118 . （in Chinese） Design of nandflash memory module with high speed and large capacity based on FPGA 卢振华 ， 郭永飞 ， 李云飞 ， 等 . 利用CCD拼接实现推扫式遥感相机的自动调焦 ［J］. 光学 精密工程 ， 2012 ， 20 （ 7 ）： 1559 - 1565 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.07.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.07.023 利用CCD拼接实现推扫式遥感相机的自动调焦 LU Z H ， GUO Y F ， LI Y F ， et al . Realization of auto-focus on APRC using CCD stitching ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 7 ）： 1559 - 1565 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.07.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.07.023 Realization of auto-focus on APRC using CCD stitching 10.37188/OPE.20223002.0127 V476.4 V445.8 A 1004-924X（2022）02-0127-10 王征,何云丰,孙兴国等.天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计[J].光学精密工程,2022,30(02):127-136. 王征,何云丰,孙兴国等.天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计[J].光学精密工程,2022,30(02):127-136. WANG Zheng,HE Yunfeng,SUN Xingguo,et al.Design of image storage and processing system for Tianwen-1 high-resolution camera[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):127-136. WANG Zheng,HE Yunfeng,SUN Xingguo,et al.Design of image storage and processing system for Tianwen-1 high-resolution camera[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):127-136. 国家自然科学基金青年科学基金项目（No.42001345，No.61805001）；中国科学院月球与深空探测重点实验室开放基金资助项目（No.LDSE201901） 2020-09-24 2020-11-09 2022-01-25 2022-02-19 光学精密工程 2 30