深空光通信瞄准捕获跟踪扩展信标算法的FPGA硬件实现

论文摘要

深空光通信是实现未来深空探测高数据率通信的重要发展方向,与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等特点。在深空光通信中,通信距离十分遥远、空间环境非常恶劣,要求两通信终端实现精确的瞄准和跟踪。因此,捕获和跟踪技术是深空光通信链路能否成功建立和保持的关键,是整个系统的核心。本论文的主要工作就是根据捕获和跟踪两个过程的理论模型设计算法,在软件仿真成功后设计硬件系统,利用FPGA实现算法。首先介绍深空光通信瞄准捕获跟踪(PAT)扩展信标机制的原理。当航天器位于太阳系以内,天体在信标探测器上所成的图像通常扩展到多个像素,称为扩展信标。扩展信标的跟瞄机制重点是链路建立和运行过程中信标中心位置的精确计算,因此图像处理算法是跟瞄的核心。分析图像处理系统的常用硬件方案,对各方案进行比较,结合硬件的发展状况及本文图像处理算法的特点,最后提出本文基于FPGA的图像处理系统设计。根据深空光通信扩展信标PAT机制原理,分析其理论模型:捕获过程是在不确定区域中搜索出信标的位置并计算其中心;跟踪过程是在搜索到信标的情况下计算因为航天器运动产生的信标旋转和平移。两个过程的核心理论为傅里叶梅林变换。为了减少捕获过程中图像匹配的时间,本文提出将图像匹配过程分为粗匹配和精匹配两步,在粗匹配过程中又分别采用不同模版和逐步减小模板移动间隔的方法。根据深空光通信扩展信标PAT机制理论模型分析本文图像处理系统功能,然后对系统进行功能模块划分。进行硬件需求分析,根据参数指标进行器件选型,最后进行电路原理图及硬件PCB的设计。选择功能相当的EP2S60开发板进行后续的仿真及下载验证。论文最后分析捕获、跟踪算法在FPGA中的实现过程,采用QuartusⅡ软件进行FPGA设计。采用模块化的设计方法,将整个实现过程分成四个模块:通信模块、存储模块、FFT模块和运算模块。分析每个模块的构建过程然后对各模块进行仿真。最后将算法下载到硬件电路中进行验证。本论文的工作为深空光通信瞄准捕获跟踪扩展信标算法的硬件实现提供了初步模型和设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 深空光通信的背景及研究意义
• 1.1.2 深空光通信瞄准捕获跟踪信标机制
• 1.2 深空光通信的图像处理系统
• 1.2.1 图像处理系统的发展趋势
• 1.2.2 图像处理系统的硬件实现
• 1.2.3 深空光通信图像处理系统的FPGA 实现
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 扩展信标捕获跟踪算法分析及MATLAB 仿真
• 2.1 引言
• 2.2 深空光通信扩展信标PAT 机制原理
• 2.2.1 光束瞄准原理
• 2.2.2 信标捕获原理
• 2.2.3 信标跟踪原理
• 2.3 捕获理论模型及MATLAB 仿真
• 2.3.1 捕获算法数学模型
• 2.3.2 捕获算法MATLAB 仿真
• 2.4 跟踪理论模型及MATLAB 仿真
• 2.4.1 跟踪算法数学模型
• 2.4.2 跟踪算法MATLAB 仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 扩展信标算法图像处理系统的硬件总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 图像处理系统功能模块划分
• 3.3 图像处理系统器件选型
• 3.3.1 FPGA 及其配置器件的选型
• 3.3.2 PCI 总线接口芯片及其配置器件选型
• 3.3.3 FLASH 存储芯片选型
• 3.3.4 电源及显示器件选型
• 3.4 电路原理图设计
• 3.4.1 电压匹配
• 3.4.2 接口驱动
• 3.4.3 特殊引脚
• 3.4.4 去耦电容的使用
• 3.5 PCB 电路设计
• 3.5.1 信号线长度要求
• 3.5.2 器件布局布线要求
• 3.5.3 尺寸要求
• 3.6 本章小结
• 第4章 扩展信标捕获跟踪算法的FPGA 实现
• 4.1 引言
• 4.2 EP2S60 视频音频开发板简介
• 4.3 扩展信标算法的通信模块
• 4.3.1 UART 分频器
• 4.3.2 UART 发送模块
• 4.3.3 UART 接收模块
• 4.4 扩展信标算法的存储模块
• 4.4.1 FIFO 缓存器
• 4.4.2 RAM 存储器
• 4.5 扩展信标算法的FFT 模块
• 4.5.1 FFT IP 核MATLAB 验证
• 4.5.2 用一维FFT 构建二维FFT
• 4.6 扩展信标算法的运算模块
• 4.6.1 求图像的傅里叶频谱
• 4.6.2 求误差系数
• 4.7 扩展信标算法硬件验证
• 4.7.1 扩展信标捕获算法验证
• 4.7.2 扩展信标跟踪算法验证
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录