针对当前遥感卫星电荷耦合器件(CCD)相机幅宽越来越大, 速率越来越高, 现有相机模拟源设备数据输出带宽不足的问题, 提出并实现了一种基于非易失性存储器 Express(NVMe)的超高速多通道遥感相机模拟源设备。该设备利用现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)实现 4组 NVMe SSD主机控制器, 完成对固态硬盘 (SSD)的读写操作; 同时利用 DMA控制器读取 DDR4中缓存数据, 数据经封装处理后通过光纤接口输出。实验结果表明: NVMe主机控制器的写平均速率可以达到 1.7 GBps, 读平均速率达到 3.2 GBps。模拟源系统整体存储容量 8 TB, 对外输出带宽高达 80 Gbps, 支持 8路光纤接口输出。该模拟源具有较强的稳定性及良好的可扩展性, 已成功应用在某遥感卫星 CCD相机模拟源系统中, 为数传等设备的测试以及调试提供了充分保障。

针对遥感相机数据输出速率较高、快视系统传输带宽不足的问题, 提出了一种基于万兆网的高速可靠传输系统并加以实现。传输系统前端采用FPGA作为主控制器, 在其内部构建可靠传输协议栈, 通过确认重传算法实现高速数据的UDP可靠传输, 并通过流量控制机制提高传输效率。由于重传算法需消耗较多缓存资源, 采用DDR3多端口控制器对传输协议栈中已发送但未被确认的数据帧进行缓存, 同时对前端高速数据流进行速率平滑, 减少FPGA片上RAM资源使用率。实验结果表明: 当上位机CPU负载较小时, 传输系统可可靠传输高达1 000 MB/s的连续数据流; 当CPU负载较大时, 传输速率亦在600 MB/s以上。系统传输速率高, 工作稳定, 扩展性强, 已成功应用于遥感相机快视系统中, 为超高速遥感相机的研制测试提供了保障。

设计了一种能够完成帧-帧背景去除算法的闪电识别系统, 用于实时识别闪电事件并编码。该系统将闪电成像仪拍摄到的高速图像数据分成8个区域, 用8个相同的子系统分别完成各个区域的闪电探测; 在每个子系统中利用7片静态随机存储器(SRAM)以流水读写的方式完成7帧背景评估, 并利用该方法实现7帧数据的帧-帧背景去除算法。实验结果显示, 该系统可以完成2.88 Gbps高速数据流的接收, 背景信号评估和去除, 并且可实时识别闪电事件。这些结果表明该系统能够完成气象卫星闪电识别的任务。

针对传统Mean Shift跟踪算法在目标发生遮挡时容易跟偏甚至跟丢的缺陷，提出了一种新的抗遮挡跟踪算法。首先，对跟踪窗口内的目标进行分块；然后，对外围子块分别实施Mean Shift跟踪算法并检测遮挡的发生，当遮挡发生后即对所有子块实施Mean Shift跟踪算法；最后，引入一种子块置信度机制并仅用置信度最高的子块来确定目标的最终位置，从而在目标发生遮挡时能有效剔除被遮挡子块对目标定位的影响。对不同的视频序列测试的结果显示，本算法能对发生遮挡的目标进行准确跟踪。当遮挡目标尺寸为70 pixel×100 pixel时，平均处理时间为38.6 ms/frame。结果表明，改进算法能够满足目标跟踪系统稳定性和实时性的要求。

传统的Mean Shift跟踪算法在目标发生形变时会因跟踪窗不能动态改变尺寸而导致目标跟偏甚至跟丢，因此本文提出了一种新的跟踪窗口大小和方向自适应的改进算法。首先，采用跟踪窗口内协方差矩阵主分量分析法来计算跟踪目标的方向和尺寸大小；然后，联合相似性度量和卡尔曼滤波器来更新跟踪窗口的大小和方向倾角，使之适应目标的变化。实验显示，本算法可对不断旋转和缩放的运动目标进行准确实时跟踪，当目标尺寸在35 pixel×17 pixel到176 pixel×80 pixel之间变化时,平均处理时间为17.45 ms/frame,表明改进的算法能够满足非刚体目标跟踪系统的要求。

以钢板表面检测图像数据采集与处理的应用为背景，设计了3 GSPS(Giga Samples Per Second)超高速数据采集与处理平台。采用时钟双边沿采样的方式提高采样率，使得系统最高采样率达到3 GSPS，采用FPGA芯片解决了ADC采样后高速数据的采集与存储的难题。该平台的通用性以及灵活性较强，可在钢板表面检测图像系统中得到广泛的应用。

针对传统Mean Shift 跟踪算法对伪装目标进行跟踪时容易陷入局部最大值导致跟偏甚至跟丢的问题，本文首先采用联合直方图来增强对目标特征的描述，然后在跟踪过程中以目标背景区分度为原则，动态更改目标描述模型和通过调整联合直方图各部分的权重来自适应背景的变化，以保证跟踪此类目标的鲁棒性。实验证明，针对与背景相似的伪装目标，改进的Mean Shift 算法仍能对其进行有效准确的跟踪。