卫星图像处理算法研究及其硬件实现

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随着航天遥感技术的发展,空间遥感数据量日益庞大,图像数据量的巨增带来了存储和传输的问题。一方面,星上存储器有限的存储空间难以满足巨大的图像数据量的存储需求,另一方面,卫星有限的信道容量造成了传输的瓶颈。因此,遥感图像的实时高倍率压缩成为解决以上问题的关键。同时,卫星遥感图像具有显著的特点一细节非常丰富,卫星飞行高度通常约几百千米以上,对地面覆盖范围广,地面上的小目标在卫星成像后,通常只有几个像素大小。由此,针对卫星遥感图像的压缩算法、实现方式、传输协议等均要根据其自身的特点进行选择和重新设计。基于以上的分析,本文主要完成了以下的研究和开发工作:(1)在分析卫星遥感图像的特点、卫星遥感图像处理要求的基础上,利用已有的卫星图像,进行了图像数据压缩算法的比较和仿真,尤其是JPEG与JPEG2000算法的比较和仿真;(2)根据现代数字数据处理的一般硬件实现方式,提出了针对高速卫星图像数据流的FPGA处理实现架构,并通过实际电路设计,程序代码编写等综合设计,实现了该处理架构。通过仿真发现,对于高分辨率的卫星遥感图像来说,JPEG2000算法在压缩性能上—效率、质量等指标,均要比JPEG算法好。随着电子技术的发展,JPEG2000出现了专用而高效的实现芯片,为我们处理这样的图像数据提供了充分的条件,而且随着FPGA技术的飞速进步,使得FPGA技术用于航空、航天和处理高速流方面也越来越成熟。本文在详细叙述JPEG与JPEG2000算法的仿真、比较过程的基础上,提出了利用FPGA芯片和专用的JPEG2000算法芯片(AD公司的ADV202芯片)来实现高速的卫星图像数据压缩与缓存预处理的硬件实现架构。并对实现的实际结果作了比较和说明,从而确认该方案的正确性。
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