FPGA在光电系统中应用广泛, 复杂的光电系统中可能集成了多个FPGA信号处理系统, 整体状态下各子系统FPGA一般不具备在线JTAG更新程序的条件。提出一种基于Aurora协议光纤的FPGA远程更新方法, 对FPGA烧录文件进行数据分包, 光纤传输中增加握手和重发机制, 数据包通过光纤接口发送给FPGA, FPGA对每一包数据校验无误后缓存至DDR中。当DDR接收完整包数据后, SOC系统通过Microblaze软核将DDR中的数据写入FLASH对应地址中, 实现了FPGA程序的远程更新。经实验测试, 光纤模块带宽可稳定工作在10 Gbps, 8.52 MB的FPGA烧录文件的远程更新时间为117 s。该方法解决了长距离、复杂系统的FPGA远程更新问题, 有效提高了远程更新效率, 降低了数据传输误码率。

为满足合成孔径雷达实时成像、数据回放等高速可靠数据传输需求, 解决传统数据传输系统由于接口要求高、体积与功耗大以及网络配置不灵活等原因不适合用于外场试验的问题, 基于ZYNQ芯片设计一种光纤接口到以太网接口的数据传输系统。主要介绍数据传输流程的实现方法, 并提出一种三级乒乓和指令并行的优化策略保证数据正确, 提高传输速度; 通过移植嵌入式Linux系统实现灵活修改网络配置。与传统方案相比, 该系统在体积、功耗和灵活性上具有明显优势。经实验验证, 数据传输速度可达770 Mb/s。

为了满足航空光电吊舱多路Cameralink数字图像传输的需要, 设计了以可编程逻辑器件(FPGA)作为核心处理器的多路Cameralink数字图像光纤传输系统。利用编解码芯片完成了Cameralink数字图像输入输出的信号转换。设计了异步FIFO数据缓存模块, 解决了像素时钟域与Aurora协议用户时钟域的匹配问题。采用Aurora 8 B/10 B协议进行图像数据的编码、转换, 结合高性能的波分复用光模块完成多路数字图像的传输。实验结果表明, 数字图像数据传输的误码率低于10-12, 图像传输效果清晰稳定。能够应用于多路Cameralink数字图像的传输。

提出一种基于深度学习的极光序列分类方法,有效结合卷积神经网络(CNN)特征丰富的空间域信息和长短时记忆(LSTM)网络捕捉序列信息的优势,并利用极光的属性对CNN添加反馈约束调节使特征更契合极光图像。在中国北极黄河站的全天空成像仪(ASI)极光图像数据库上进行有监督的极光序列分类研究和无监督的极光事件检测,实验结果表明本文方法能有效用于极光序列的表征,为海量极光序列的自动分类提供了可能性。

利用中高层大气红外辐射模式模拟分析极光对中高层大气临边红外辐射的影响。模拟结果表明,极光扰动大气时,NO导致2.7 μm、5.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,2.7 μm带辐射不含时变化,5.3 μm带辐射含时小幅变化;CO₂和NO⁺导致4.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,CO₂导致其含时变化;10 μm、15 μm带临边辐亮度因CO₂ 4.3 μm带的关联效应也以一定幅度增大,并同样含时变化。因化学反应产生的NO、NO⁺的高振动能级使2.7,4.3,5.3 μm带在包含它们的基带和热谱带的宽光谱范围内都获得增强。根据所获得的辐射特性,初步模拟了一次极光扰动大气的4.3 μm带临边观测事件,并与实测值进行对比分析,验证了中高层大气红外辐射模式的正确性。

提出了一种高速红外视频采集系统,重点介绍了系统关键模块——PCI-E采集卡的设计与实现。采集卡主要基于Kintex7系列现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的硬件结构,利用Aurora核与Xilinx 7系列PCI-E核成功地将高速光纤传输以及PCI-E技术应用于此系统。实验结果表明,这种高速红外视频采集系统可以稳定、可靠地长时间工作,非常适用于高帧频大面阵红外视频的实时采集、显示与存储。

针对广角极光成像仪整机Z向冲击试验后探测器损坏的问题，提出在镜头组件与头部框架间设置隔振器的解决方法。首先，确定隔振方案为被动局部隔振; 然后，从材料、刚度和安装方式等方面完成金属橡胶隔振器的设计。接着，运用有限元方法对结构进行模态分析和冲击载荷响应仿真分析。最后，对广角极光成像仪整机产品进行了力学实验，实验结果与仿真分析结果一致。实验结果显示: 安装隔振器后，探测器位置测点的正弦振动加速度响应最大降低了26.2%，随机振动加速度响应最大降低了72%，冲击加速度响应最大降低了48%，说明该隔振器具有显著的减振效果。在实验完成后对产品进行检测，发现产品并无异常，说明结构设计满足要求。

探讨了一种大面阵红外图像高速传输系统的原理、结构及其实现。针对红外成像系统的要求, 提出了一种基于 FPGA的大面阵红外图像高速传输方法, 并利用光纤传输技术与 aurora协议来实现。该方案不仅实现了大面阵红外图像的高速传输, 而且实现了高速、可靠的指令通信。

针对广角极光成像仪对其光学系统温度的特殊需求, 对成像仪使用的高温滤光片进行了热设计及相关试验。介绍了广角极光成像仪的光机结构, 尤其是滤光片组件的结构。通过建立传导和辐射热阻的计算方程组, 分析了由滤光片到镜筒整个换热路径中存在的热阻及其影响因素。然后, 以影响热阻的因素作为设计变量, 分析了影响镜筒温度的敏感变量。最后, 提出了高温滤光片的热设计方案。真空验证试验表明: 在高温和低温两种极端工况下, 滤光片温度水平分别稳定在105.8 ℃和138.2 ℃, 其控温准确度优于±2.5 ℃, 控温稳定度优于0.75 ℃/min;反射镜组和探测器窗口温度水平和温差都满足热控指标。得到的结果显示, 基于热阻和温度灵敏度分析的设计方法, 能够快速明确影响热阻的敏感设计变量, 减少设计过程的盲目性。空间高温滤光片的热设计满足了光学系统的要求, 保证了广角极光成像仪滤光片组件与反射镜之间的温差。

为了对卫星载荷广角极光成像仪下传的大量遥感数据进行采集并实时解析成像, 设计实现了广角极光成像仪图像采集与快显多功能监测系统。根据系统工程需求分析, 利用数据采集卡接收来自RS-422接口的遥感数据, 在VC++平台上开发上位机软件, 应用多线程与定时器联合编程实现并行的数据采集、数据解析、图像处理及快速显示, 并实现了光子计数率显示、像素点亮度值显示、图像亮度值调节、生成原始数据曲线、图像回放、图像局部放大等多种功能。通过系统与广角极光成像仪的联合测试, 实验结果表明: 该系统能够正确接收遥感数据, 准确解析辅助参数及多模式下的图像数据并快速显示成像, 多种功能执行正确且运行稳定。系统能实时、准确地反映仪器状态及性能, 是广角极光成像仪研发各阶段不可或缺的一部分。