船载VDR中雷达图像压缩传输系统的设计与实现

作     者：唐云鹏 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毕胜

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 082402[工学-轮机工程] 081105[工学-导航、制导与控制] 0824[工学-船舶与海洋工程] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：软硬件协同设计 雷达图像 FPGA JPEG2000压缩 OpenMP 

摘      要：船舶航行数据记录仪(Voyage Data Recorder,VDR)是一种专门用来记录船舶航行中各种数据的设备。在船舶发生事故后,可以根据VDR中客观记录的数据来进行事故原因分析。其中导航雷达图像是最为重要的数据之一,因为它最为详实地记录了船舶航行中的周边海上环境全貌。由于雷达图像数据量非常大并且要求实时的传输备份,因此对雷达图像进行压缩处理十分必要。本文针对雷达图像记录压缩系统进行了研究和实现。根据IEC61996文件和中国船级社的规定要求,本文首先对系统进行了总体设计。确定了基于HDMI数字接口对雷达图像进行采集,并选用高性能JPEG2000无损压缩标准对雷达图像进行压缩的设计要求。从功能划分上本文将系统整体分为了采集、压缩和传输三部分,在功能实现方面,本文采用了软硬件协同设计并实现的手段,充分地利用软硬件资源和特点,从而使得系统能够高效地运行。针对JPEG2000压缩算法具有极高的计算复杂度的问题,本文提出了基于异构多核的JPEG2000无损压缩实现方案。本文通过对JPEG2000压缩算法研究后,对软硬件任务分配进行了合理的划分。在可编程逻辑(Programmable Logic,PL)中完成图像预处理和小波变换功能,在处理器系统(Processing System,PS)中构建了嵌入式Linux系统并移植了 OpenMP。基于OpenMP为JPEG2000中的EBCOT编码器建立了并行算法模型,并在PL处理和PS编码之间加入了流水线的设计,实现了两倍压缩速度的提升并降低了系统功耗。由于本系统通过软硬件协同设计实现,PL与PS之间存在大量的数据交互,本文基于AXI总线设计了高速和低速两种数据交互方式用于传输数据和控制信息,并在嵌入式Linux系统中基于Platform总线设计了驱动程序,确保了各模块间的数据交互。在雷达图像采集方面,利用PL实现了对HDMI协议的雷达视频源的解码传输,可以实现最高1280x1024分辨率的雷达图像采集。数据备份则通过以太网将压缩图像发送到数据存储端进行备份。整体系统在Vivado开发平台上进行开发,并在基于Zynq7000系列的Miz-701N开发板上实现。最后搭建了测试平台,对系统各个模块和整体的功能、性能进行测试。测试结果表明,本系统可以正常稳定的运行,技术指标达到设计要求。