基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，属于星上多载荷数据处理系统的评估技术领域，包括：步骤1、搭建基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评估环境；步骤2、制定基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评估方法；步骤3、构建基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评价体系。本发明专利技术有效揭示软件定义芯片实现星上数据处理的短板和关键制约因素，为低成本、低功耗、小型化、高算力、通用性强的数据处理软件定义芯片研制工作奠定充实的测试基础和调试保障。工作奠定充实的测试基础和调试保障。工作奠定充实的测试基础和调试保障。

【技术实现步骤摘要】
基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法


[0001]本专利技术属于星上多载荷数据处理系统的评估
，具体涉及一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法。

技术介绍

[0002]软件定义芯片是一种新兴的集成电路设计方法学。其目标是在单颗芯片上兼顾实现高性能、高能效、高灵活和高安全，与传统芯片设计相比获得绝对综合优势。为提升可编程器件的硬件利用率，进而实现整体性能提升，理想状态是将传统可编程器件运行时空闲的资源动态重构成其他功能，在需要时再切换回来，从而可以大幅度提高整个器件的硬件资源利用率。
[0003]随着应用需求的发展，遥感信息获取高时效性以及高准确率变得尤为重要，高时效高精准的星上数据处理对硬件资源提出了较高的要求。处理问题的复杂度越来越高、星上信号处理系统规模越来越大，星上信号处理系统的功耗问题更为显著。由于卫星等数字信号处理平台功耗受限，处理系统集成化、芯片化，现有单模块功耗需要降低70%以上，才能满足模块无风扇设计。信号处理设备功能和性能的大幅提升，带来了重量和体积的增加。卫星情报信息获取平台搭载的信号处理设备需尽可能重量轻、体积小。尤其是星上信号处理设备，受限于飞行器内部空间和综合负载能力，同等条件下需尽可能降低信号处理设备的重量和体积。对于星上数据处理，载荷主要包括信号处理设备、天线、大功率脉冲放大器、射频收发通道等，信号处理设备的轻量化、小型化可以减少有效载荷，降低发射成本。在现有设备中，信号处理芯片数量需要明显降低，典型电路板尺寸需要降低75%以上，芯片数量需要减少60%以上，从而降低板卡、整机的重量和体积，满足雷达设备轻量化、小型化的需求。
[0004]传统的高性能处理硬件如FPGA、DSP、AI处理器、GPU等受限于本身的体系结构，难以满足星上数据处理对低功耗、小型化、高算力的要求。FPGA因其完全并行架构，可以实现高速率数据实时处理，在星上数据处理领域拥有举足轻重的地位，但由于FPGA采用单比特编程，在保证通用性的前提下，损失了硬件资源利用效率，不利于大规模使用时实现星上数据处理系统的小型化、低功耗。专用芯片在提高算力的同时，可有效降低芯片功耗、重量等，但无法支持多种载荷数据处理需求，造成用量小、成本高、通用性差等问题，因此软件定义芯片应运而生，在满足通用性的前提下，可以达到专用芯片的低功耗、小型化、高算力目标。
[0005]软件定义芯片通过配置流和数据流共同驱动，不使用指令；借助时空联合映射，实现任务处理的空间并行，以及硬件资源的时分复用，能够提供高密度、低功耗的信号处理算力、并兼顾高可编程性。在不损失高算力特性的前提下，可重构硬件系统可达到接近专用芯片的能耗比。软件定义芯片的特点在于：软件程序和硬件资源对输入信号可进行不同程度的优化和适配，支持多种数据处理方法在同一种硬件系统上的实现。因此，DARPA认为软件定义硬件实现的关键是快速硬件重构和动态编译。按照DARPA的项目规划，软件定义硬件的能量效率可以在未来五年达到通用处理器的两个数量级以上，并实现重构速度达到300
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1000ns。如表1所示为目前软件定义芯片相关研究的产业化情况。
[0006]表 1，面向星上数据处理的软件定义芯片解决了目前星上处理系统对通用性、低功耗、小型化、低成本的要求，是星上处理未来的重要发展方向。
[0007]星上载荷主要包括：SAR载荷、可见光载荷以及雷达探测载荷，不同载荷实现的功能不同，多载荷充分发挥各自优势，为星上信息获取提供高可靠保障。
[0008]（1）SAR载荷星上数据处理主要包括：SAR成像、目标检测识别、动目标重聚焦以及目标定位等。
[0009]SAR成像主要的信号处理功能为接收SAR载荷原始数据，对SAR载荷原始数据进行数据预处理（包括数据BAQ解压缩，数据多通道处理、大斜视距离向去斜处理，滑动聚束模式方位向去斜处理、通道间一致性误差校正等），在预处理的过程中，同时接收与原始数据对应的辅助数据，解析和计算SAR成像所需的基本参数。进而可以对处理后的数据进行成像处理，成像处理常用的算法有距离
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多普勒方法（R
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D）、变标方法（Chirp Scaling, CS）和波数域算法（）、PFA算法等可实现二维聚焦。得到聚焦的SAR图像后，由于需要对图像进行目标检测识别，因此需要针对不同场景对数据进行不同的量化，得到8bit灰度图。常用的量化方式有：最大值量化、均值量化、自适应量化以及最大对比度量化算法，不同的量化方式对检测识别的影响较大。
[0010]SAR载荷数据处理的另外一个分支为SAR载荷目标的检测识别处理，包括舰船目标检测识别以及飞机目标检测识别。同时能够对海岸线轮廓和机场边界进行准确地划分，算法通常将目标检测识别任务定义为一个回归任务，继而对空间分离的边界框和相关的类别概率进行预测，典型的有VGG16、SSD、YOLO系列算法，这类算法在牺牲少许检测精度的条件下换来了检测速度的大幅度提升。
[0011]SAR载荷在检测识别的同时，需要输出SAR载荷目标的位置信息，因此需要对目标进行定位处理，针对静止目标的地理定位方法目前最常用的方法是距离多普勒（RD）定位。针对运动目标的距离多普勒定位，需要首先估计运动目标的径向速度，根据径向速度计算目标运动导致的多普勒历程变化，最后根据修正后的多普勒历程表达式，采用RD算法进行地理定位。
[0012]星载SAR除了可实现对陆地静止目标的成像，还可对海观测，获取海面舰船的雷达图像，即进行SAR载荷运动舰船目标重聚焦。对于静止目标，其图像分辨率由卫星平台相对于目标的运动形成的多普勒带宽获得，通过一定的数据预处理，采用常规的距离
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多普勒方法（R
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D）、变标方法CS和波数域算法等可实现二维聚焦。然而对于舰船目标，在卫星平台运动的过程中，舰船目标通常也处在运动状态中。通常，舰船的运动可分解为平动和转动两个
方面。其中，平动又可分解为沿航迹和垂直航迹方向的运动。而舰船的转动由包含横摇、纵摇和偏航等几个方向的分量。不同的舰船运动特征不同，导致用于成像聚焦的参数不同，通常无法采用统一的成像参数和针对静止目标的成像算法完成整个成像范围内的全部运动舰船的精确聚焦，需要对目标采用ISAR的方式完成对运动目标的重聚焦。
[0013]（2）可见光载荷星上数据处理主要包括：目标检测识别处理、目标定位和目标压缩。
[0014]相对于SAR载荷目标检测检测识别，可见光载荷遥感影像的图像质量易受传感器、天气等因素影响，且港口、机场等场景背景过于复杂，容易检测出大量虚假目标；由于天气、光照、薄云、卫星拍摄角度、遥感目标型号差异等因素影响，遥感图像中通常目标尺度变化大、前景背景难以区分，使得检测难度增加；不同型号的舰船、飞机等典型目标在复杂场景下显示出相对单一的形状特性和区域特性，利用深度学习仅仅提取目标整体特征进行型号识别时容易导致误检；而深度学习网络计算量较大，检测效率和检测精度之间的平衡也需要平衡。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、搭建基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评估环境；所述基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评估环境包括原始数据模拟模块、数据回放模块、结果接收模块以及结果分析模块；步骤2、制定基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评估策略，所述星上多载荷数据处理评估策略为：采用原始数据模拟模块生成标准测试数据，并通过数据回放模块完成特定时序的标准测试数据回放，利用软件定义芯片对标准测试数据进行处理得到测试结果，然后返回给结果接收模块，并按照测试结果的载荷类型存储在对应的载荷处理结果文件夹，得到处理结果文件；采用结果分析模块对得到的测试结果进行分析，得出测试结论；步骤3、构建基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评价体系，所述基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理评价体系包括对软件定义芯片硬件的评价和对星上多载荷数据处理结果的评价。2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，其特征在于，所述原始数据模拟模块用于生成与星上载荷原始数据一致的数据，包括数据格式和数据时序的一致，将原始数据或者仿真数据按照测试要求的格式进行数据标准化处理，使得在不改变软件定义芯片程序的情况下，完成对原始数据和仿真数据的验证测试；原始数据模拟包括SAR载荷原始数据模拟、雷达探测载荷原始数据模拟以及可见光载荷原始数据模拟。3.根据权利要求1所述的一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，其特征在于，所述数据回放模块按照星上真实的时序回放标准化后的数据；所述数据回放模块的对外接口包括PCIE接口和光纤接口，PCIE接口通过PCIE卡槽与PC机进行通信，完成原始数据下发；光纤接口与软件定义芯片进行通信，完成原始数据传输；对于SAR载荷和雷达探测载荷，数据回放时，设置脉冲重复频率、采样率、脉宽；对于可见光载荷，设置数据的采样率以及单点数据大小。4.根据权利要求1所述的一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，其特征在于，所述结果接收模块用于接收软件定义芯片的输出结果，并将输出结果存储到本地PC机；结果接收模块与数据回放模块对外接口一致，包括PCIE接口和光纤接口；光纤接口与软件定义芯片进行通信，完成数据处理结果接收；PCIE接口通过PCIE卡槽与PC机进行通信，完成数据处理结果落盘。5.根据权利要求1所述的一种基于软件定义芯片的星上多载荷数据处理系统评价方法，其特征在于，所述结果分析模块对落盘的处理结果按照星上多载荷数据处理评价体系进行结果分析；所述结果分析模块实现功能选择、载荷及数据路径选择、数据参数显示以及结果分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐安林，梁小虎，姜奕圻，亓乾月，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：