基于PCI和FPGA的InSAR基线测量实时采集系统（一）

针对双天线干涉SAR 基线测量系统数据量大、实时性要求高和体积小的特点，设计并实现了一种基于FPGA + PCI 的实时数据采集存储系统。 系统基于PCI 总线技术，采用FPGA 和大容量SDRAM 对采集数据进行控制和缓存，利用多个硬盘组成的磁盘阵列进行实时存储，实现了CCD 相机和激光测距仪与PCI 总线间的高速数据实时传输。 对系统进行了功能和性能测试，测试结果表明，系统数据吞吐量大，实时性强，性能稳定，能够有效地满足基线测量系统的需求。双天线干涉合成孔径雷达系统可以获取地面目标的高程信息，具有全天候、全天时工作、测绘范围广、分辨率高等优点。干涉测量一般采用单轨双天线或重复轨道单天线系统，对于单轨双天线系统，其交轨干涉基线越长、越精确，获取的高程精度越高。一般干涉基线长度大于4 m 时，基线呈柔性结构而不能保持稳定基线，由于柔性基线结构出现的变形和抖动，会造成2 个天线的相对位置和姿态动态变化，并最终严重影响高程精度。 采用CCD 相机和激光测距仪的组合基线测量系统能够实现对2 个天线的位置和姿态变化进行精密动态测量，CCD 相机对布设在天线上LED 标志点进行高速跟踪拍摄，激光测距仪同步测量平台与合作目标之间的距离。 这使得柔性基线测量系统具有输出数据量大、处理算法复杂、计算量大、处理实时性要求高等特点，本文针对柔性基线测量系统的需求，提出一种基于FPGA +PCI 的数据实时采集与高速存储的解决方案，进行了硬件关键功能设计与实现。 系统采用FPGA进行核心逻辑控制，对CCD 相机和激光测距仪的数据进行同步采集控制，整理、利用外部大容量的SDRAM 组进行缓存，采用专用的PCI 接口芯片PLX9656,实现了2 个传感器数据与PCI 总线数据的高速传输，利用多个SATA 硬盘构成的大容量的磁盘阵列进行实时存储。 并对该数据采集存储系统进行了功能和性能测试，实测数据表明本文设计的系统能够有效解决柔性基线测量系统数据高速采集，大容量数据传输的难题。

1 系统组成及工作原理

1. 1 主要功能和技术指标

在柔性基线测量系统中，为了精确实时测量柔性基线的抖动和2 个天线相对姿态的变化，需要选择高帧频、大面阵的CCD 相机和高精度的激光测距仪进行组合测量，这样会产生大量高速的图像数据和激光测距仪输出的距离数据。 因此本文设计的高速采集存储系统主要功能是控制各测量传感器之间的时间同步，完成各传感器数据的实时采集，并对采集的数据进行分流。 一路数据进行高速存储； 另一路数据输出至另外的实时处理系统中。根据柔性基线测量系统的要求，本文系统应该能够实时采集和存储2 个传感器测量数据，需要达到的技术指标主要包括持续采集速度、持续存储速度和最小存储容量等。系统中CCD 相机采用SVS-VISTEK 公司生产的一款高分辨率、高帧频的面阵数字相机，图像的分辨率为1608 列× 1208 行，相机帧频最高为30 Hz. 该相机数据AD 采样为10 位，数据采集只取高8 位，则CCD 相机每秒产生的数据量约为55. 57 MB. 激光测距仪采用的是德国公司生产的LRFS-0040-2 激光测距仪，测量速率最高可达50Hz,数据接口采用的是RS 422 接口，产生的数据量为9. 6 KB / s.2 个传感器每秒的数据量约为56 MB / s,则采集系统的持续采集速度必须大于56 MB / s,才能对2 个传感器数据进行实时采集。只有当持续存储速率大于采集速度时，才能够把数据实时准确的存储数据。 所以持续存储速度要大于56 MB / s,SATA 硬盘理论读写速度最大可达150 MB / s,利用多个SATA 硬盘组成RAID阵列，可以提供比单个硬盘更高的存储性能。

根据柔性基线测量系统的需求，该采集存储系统的持续工作时间最长约为2 h,则需要的最小的存储容量约为390. 76 GB.根据上述数据采集系统的需求分析，并考虑到系统的可扩展性以及数据实际传输、终端处理的需要，要求数据采集记录速度要达到70 MB / s,持续写盘阵速度要达到120 MB / s,存储容量要求达到2 TB.对于32 bit /33 MHz 的PCI 总线，实际使用中一般能达到80 MB / s,数据进出系统内存都要经过PCI 总线，会导致总线的效率降低一半。 而系统的采集速度必须大于56 MB / s,所以选择64 bit /66 MHz的PCI 总线，数据传输的峰值速度可以达到528 MB / s,现有系统表明64 bit /66 MHz的PCI 总线实际传输的速度能达到200 MB / s 以上，所以该PCI 总线的传输速度完全能满足系统需求。