基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法技术

基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法，涉及光电探测技术领域，解决的技术问题在于克服空间相机光子计数型探测器图像生成单元现有实现方法的不足，本发明专利技术通过FPGA软件实现图像生成单元，降低了系统的硬件需求，简化了图像数据传递的接口，提高系统可靠性。通过在大容量存储器前后设置缓存FIFO，实现了图像数据接收存储与数传发送并行执行的功能，满足了连续拍摄的需求，提高了图像生成单元对图像数据的处理速率，保证了成像系统实现最高光子计数率的性能指标。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法
本专利技术涉及光电探测
，具体涉及空间相机光子计数型探测器图像生成单元FPGA实现方法。
技术介绍
为了探测空间等离子体等短波段弱光信号，空间相机通常采用光子计数型探测器作为感知元件。光子计数探测器是一种将入射光子采集转化为多路电荷信号的探测器，通过信号处理电路对电荷信号进行整形放大、峰值保持及采样转换获取原始图像数据，然后根据坐标计算公式将原始图像数据转换为坐标图像数据。当空间相机在原始模式下摄像时，图像生成单元将原始图像数据存储在大容量存储器中，摄像停止后通过图像数传单元下传至卫星数传系统；当空间相机在坐标模式下摄像时，图像生成单元对相同坐标值的光子进行累加计数，生成反映光子位置信息和光子计数量的坐标图像，并通过图像数传单元下传至卫星数传系统，并在地面进行后续反演处理。光子计数探测器和信号处理电路串行所能响应的最高入射光子频率称为最高光子计数率，图像生成单元的实现方法虽不直接决定最高光子计数率，但由于空间相机大容量存储空间和数传波特率的限制，导致图像生成单元的实现方法制约最高光子计数率的实现，因此，采用合理的图像生成单元实现方法对完成空间相机光子计数型探测器最高光子计数率指标具有重要作用。光子计数型探测器输出电荷信号后，信号处理电路在FPGA软件控制下实现电荷信号的采样，将电荷幅值模拟量转换为数字量，并根据坐标计算公式转换为光子坐标值。图像生成单元通常采用嵌入式软件(如DSP)实现。嵌入式软件接收FPGA软件发送的原始图像数据或坐标图像数据并写入大容量存储器中，摄像结束后再读出图像数据通过数传接口发送至卫星数传系统，这种方法要求嵌入式软件具有大容量存储器控制接口和数传控制接口，对硬件功能要求较高。另外，FPGA软件采用中断方式向嵌入式软件发送坐标图像数据，而嵌入式软件需同时兼顾相机其他控制功能，响应时间有限，若相机接收的光子计数率较高，则只能通过提高嵌入式软件系统时钟以满足响应速度，但这种方法既增加了设计难度又降低了系统可靠性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是降低空间相机光子计数型探测器图像生成单元对硬件接口功能和软件响应速度的实现要求，提出一种基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法。基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法，通过FPGA实现图像生成单元，图像生成单元能够同时完成图像数据的写入存储和读出发送实现连续拍摄的功能；所述图像生成单元包括原始图像数据Qs缓存FIFO、原始图像数据Qw缓存FIFO、原始图像数据Qz缓存FIFO、坐标图像数据X缓存FIFO、坐标图像数据Y缓存FIFO、数传数据缓存FIFO、存储控制器以及读出控制器；所述的图像生成实现方法由以下步骤实现：步骤一、开始摄像，图像生成单元判断是否接收图像数据，如果是，则将接收的图像数据存储至存储控制器，执行步骤二，如果否，则继续等待；步骤二、图像生成单元判断读出控制器是否从大容量存储器中读出图像数据至数传数据缓存FIFO，如果是，则将存储控制器中存储的图像数据存储至相应的缓存FIFO中，如果否，则将存储控制器接收到的图像数据存储至大容量存储器中，执行步骤三；步骤三、图像生成单元判断摄像是否结束，如果否，返回步骤一，如果是，则并行执行步骤四和步骤五；步骤四、图像生成单元判断摄像是否开始，如果否，则继续等待，如果是，则返回步骤一；步骤五、图像生成单元判断读出控制器向数传数据缓存FIFO发送图像数据是否完毕；如果是，则返回步骤三，如果否，则执行步骤六；步骤六、图像生成单元判断数传数据缓存FIFO是否存满，如果否，读出控制器将图像数据从大容量存储器中读出至数传数据缓存FIFO，如果是，图像生成单元从数传数据缓存FIFO中读取出数传数据，并发送至数传通讯单元。本专利技术的有益效果：一、本专利技术采用FPGA实现空间相机光子计数型探测器的图像生成单元，降低了因大容量存储、数传等功能产生的成像系统硬件接口需求，简化成像系统硬件设计结构，提高了系统可靠性。二、通过采用FPGA实现图像生成单元，将坐标图像数据的传递接口从嵌入式软件与FPGA软件之间的接口变换为FPGA软件内部模块间的接口，简化了接口设计，提高了坐标图像数据的传递速度，从而提高了图像生成系统所能接收图像数据的最高速率。三、通过在大容量存储器前后设置缓存FIFO，令图像生成单元能够实现图像数据存储与数传发送并行执行，从而满足成像系统连续拍摄的需求，并且提高图像生成单元的图像数据吞吐能力，保证了成像系统满足最高光子计数率的性能指标。附图说明图1为本专利技术所述的基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法中采用光子计数型探测器空间相机的成像系统框图；图2为本专利技术所述的基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法中图像生成单元原理框图；图3为采用FPGA实现图像生成单元的实施方式流程图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法，通过FPGA实现图像生成单元，图像生成单元能够同时完成图像数据的写入存储和读出发送实现连续拍摄的功能；在图像生成单元中设计五个缓存FIFO和两个控制器，分别为原始图像数据Qs缓存FIFO、原始图像数据Qw缓存FIFO、原始图像数据Qz缓存FIFO、坐标图像数据X缓存FIFO、坐标图像数据Y缓存FIFO和数传数据缓存FIFO，以及存储控制器和读出控制器，其目的是令图像生成单元能够同时完成图像数据的写入存储和读出发送，提高图像生成单元接收图像数据速率的能力，实现连续拍摄的功能。缓存FIFO的存储深度取决于最高光子计数率、大容量存储器读写数据速度以及数传波特率。该方法采用光子计数型探测器的空间相机，光子计数型探测器和信号处理电路能实现的最高光子计数率为300kcps，卫星数传系统规定数传速率为200kbps，FPGA采用Xilinx公司的XC4VSX55，大容量存储器采用1G的SDRAM，FPGA从SDRAM中读出/写入数据时间为200ns。考虑到FPGA存储区容量及设计规模，取数传数据缓存FIFO容量为5k×16bit。原始摄像模式下，一个光子产生三路原始图像数据，对于大容量存储器而言，原始图像数据写入速率为3×300k×16bps＝900k×16bps，而在坐标摄像模式下，坐标图像数据写入速率300k×16bps。两种模式下读出速率均为5Mbps(1/200ns)。由此，根据最高光子计数率、大容量存储器读/写时间以及数传速率，计算出原始图像数据Qs、Qw、Qz的缓存FIFO为1k×16bit，坐标图像数据X、Y的缓存FIFO为0.3k×16bit。为保持设计一致，取五个缓存FIFO深度均为1k。该方法的具体步骤为：一、摄像开始后，图像生成单元判断是否接收到图像数据。若接收到图像数据则执行步骤二，否则继续等待。二、图像生成单元判断读出控制器此时是否从大容量存储器中读出图像数据至数传数据缓存FIFO。若读出控制器正在执行读取操作，则将接收到的原始图像数据或坐标图像数据存储至相应的缓存FIFO中，并返回步骤一。若读出控制器未执行读取操作，则存储控制器将接收到的图像数据存储至大容量缓存器中，原始图像数据按照Qs、Qw、Qz顺序依次存储，生成原始本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法，通过FPGA实现图像生成单元，图像生成单元能够同时完成图像数据的写入存储和读出发送实现连续拍摄的功能；所述图像生成单元包括原始图像数据Qs缓存FIFO、原始图像数据Qw缓存FIFO、原始图像数据Qz缓存FIFO、坐标图像数据X缓存FIFO、坐标图像数据Y缓存FIFO、数传数据缓存FIFO、存储控制器以及读出控制器，其特征是，所述的图像生成实现方法由以下步骤实现：步骤一、开始摄像，图像生成单元判断是否接收图像数据，如果是，则将接收的图像数据存储至存储控制器，执行步骤二，如果否，则继续等待；步骤二、图像生成单元判断读出控制器是否从大容量存储器中读出图像数据至数传数据缓存FIFO，如果是，则将存储控制器中存储的图像数据存储至相应的缓存FIFO中，如果否，则将存储控制器接收到的图像数据存储至大容量存储器中，执行步骤三；步骤三、图像生成单元判断摄像是否结束，如果否，返回步骤一，如果是，则并行执行步骤四和步骤五；步骤四、图像生成单元判断摄像是否开始，如果否，则继续等待，如果是，则返回步骤一；步骤五、图像生成单元判断读出控制器向数传数据缓存FIFO发送图像数据是否完毕；如果是，则返回步骤三，如果否，则执行步骤六；步骤六、图像生成单元判断数传数据缓存FIFO是否存满，如果否，读出控制器将图像数据从大容量存储器中读出至数传数据缓存FIFO，如果是，图像生成单元从数传数据缓存FIFO中读取出数传数据，并发送至数传通讯单元。...

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的光子计数型探测器图像生成实现方法，通过FPGA实现图像生成单元，图像生成单元能够同时完成图像数据的写入存储和读出发送实现连续拍摄的功能；所述图像生成单元包括原始图像数据Qs缓存FIFO、原始图像数据Qw缓存FIFO、原始图像数据Qz缓存FIFO、坐标图像数据X缓存FIFO、坐标图像数据Y缓存FIFO、数传数据缓存FIFO、存储控制器以及读出控制器，其特征是，所述的图像生成实现方法由以下步骤实现：步骤一、开始摄像，图像生成单元判断是否接收到图像数据，如果是，则将接收的图像数据存储至存储控制器，执行步骤二，如果否，则继续等待；步骤二、图像生成单元判断读出控制器是否从大容量存储器中读出图像数据至数传数据缓存FIFO，如果是，则将存储控制器中存储的图像数据存储至相应的缓存FIFO中，如果否，则将存储控制器接收到的图像数据存储至大容量存储器中，执行步骤三；步骤三、图像生成单元判断摄像是否结束，如果否，返回步骤一，如果是，则并行执行步骤四和步骤五；步骤四、图像生成单元判断摄像是否开始，如果否，则继续等待，如果是，则返回步骤一；步骤五、图像生成单元判断读出控制器向数传数据缓存FIFO发送图像数据是否完毕；如果是，则返回步骤三，如果否，则执行步骤六；步骤六、图像生成单元判断数传数据缓存FIFO是否存满，如果否，读出控制器将图像数据从大容量存储器中读出至数传数据缓存FIFO，如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金玲，宋克非，贺小军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22