針對雙天線干涉SAR 基線測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、實時性要求高和體積小的特點，設計并實現(xiàn)了一種基于FPGA + PCI 的實時數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。 系統(tǒng)基于PCI 總線技術(shù)，采用FPGA 和大容量SDRAM 對采集數(shù)據(jù)進行控制和緩存，利用多個硬盤組成的磁盤陣列進行實時存儲，實現(xiàn)了CCD 相機和激光測距儀與PCI 總線間的高速數(shù)據(jù)實時傳輸。 對系統(tǒng)進行了功能和性能測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量大，實時性強，性能穩(wěn)定，能夠有效地滿足基線測量系統(tǒng)的需求。雙天線干涉合成孔徑雷達系統(tǒng)可以獲取地面目標的高程信息，具有全天候、全天時工作、測繪范圍廣、分辨率高等優(yōu)點。干涉測量一般采用單軌雙天線或重復軌道單天線系統(tǒng)，對于單軌雙天線系統(tǒng)，其交軌干涉基線越長、越精確，獲取的高程精度越高。一般干涉基線長度大于4 m 時，基線呈柔性結(jié)構(gòu)而不能保持穩(wěn)定基線，由于柔性基線結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的變形和抖動，會造成2 個天線的相對位置和姿態(tài)動態(tài)變化，并最終嚴重影響高程精度。 采用CCD 相機和激光測距儀的組合基線測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對2 個天線的位置和姿態(tài)變化進行精密動態(tài)測量，CCD 相機對布設在天線上LED 標志點進行高速跟蹤拍攝，激光測距儀同步測量平臺與合作目標之間的距離。 這使得柔性基線測量系統(tǒng)具有輸出數(shù)據(jù)量大、處理算法復雜、計算量大、處理實時性要求高等特點，本文針對柔性基線測量系統(tǒng)的需求，提出一種基于FPGA +PCI 的數(shù)據(jù)實時采集與高速存儲的解決方案，進行了硬件關(guān)鍵功能設計與實現(xiàn)。 系統(tǒng)采用FPGA進行核心邏輯控制，對CCD 相機和激光測距儀的數(shù)據(jù)進行同步采集控制，整理、利用外部大容量的SDRAM 組進行緩存，采用專用的PCI 接口芯片PLX9656,實現(xiàn)了2 個傳感器數(shù)據(jù)與PCI 總線數(shù)據(jù)的高速傳輸，利用多個SATA 硬盤構(gòu)成的大容量的磁盤陣列進行實時存儲。 并對該數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)進行了功能和性能測試，實測數(shù)據(jù)表明本文設計的系統(tǒng)能夠有效解決柔性基線測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速采集，大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1. 1 主要功能和技術(shù)指標

在柔性基線測量系統(tǒng)中，為了精確實時測量柔性基線的抖動和2 個天線相對姿態(tài)的變化，需要選擇高幀頻、大面陣的CCD 相機和高精度的激光測距儀進行組合測量，這樣會產(chǎn)生大量高速的圖像數(shù)據(jù)和激光測距儀輸出的距離數(shù)據(jù)。 因此本文設計的高速采集存儲系統(tǒng)主要功能是控制各測量傳感器之間的時間同步，完成各傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行分流。 一路數(shù)據(jù)進行高速存儲； 另一路數(shù)據(jù)輸出至另外的實時處理系統(tǒng)中。根據(jù)柔性基線測量系統(tǒng)的要求，本文系統(tǒng)應該能夠?qū)崟r采集和存儲2 個傳感器測量數(shù)據(jù)，需要達到的技術(shù)指標主要包括持續(xù)采集速度、持續(xù)存儲速度和最小存儲容量等。系統(tǒng)中CCD 相機采用SVS-VISTEK 公司生產(chǎn)的一款高分辨率、高幀頻的面陣數(shù)字相機，圖像的分辨率為1608 列× 1208 行，相機幀頻最高為30 Hz. 該相機數(shù)據(jù)AD 采樣為10 位，數(shù)據(jù)采集只取高8 位，則CCD 相機每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為55. 57 MB. 激光測距儀采用的是德國公司生產(chǎn)的LRFS-0040-2 激光測距儀，測量速率最高可達50Hz,數(shù)據(jù)接口采用的是RS 422 接口，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為9. 6 KB / s.2 個傳感器每秒的數(shù)據(jù)量約為56 MB / s,則采集系統(tǒng)的持續(xù)采集速度必須大于56 MB / s,才能對2 個傳感器數(shù)據(jù)進行實時采集。只有當持續(xù)存儲速率大于采集速度時，才能夠把數(shù)據(jù)實時準確的存儲數(shù)據(jù)。 所以持續(xù)存儲速度要大于56 MB / s,SATA 硬盤理論讀寫速度最大可達150 MB / s,利用多個SATA 硬盤組成RAID陣列，可以提供比單個硬盤更高的存儲性能。

根據(jù)柔性基線測量系統(tǒng)的需求，該采集存儲系統(tǒng)的持續(xù)工作時間最長約為2 h,則需要的最小的存儲容量約為390. 76 GB.根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析，并考慮到系統(tǒng)的可擴展性以及數(shù)據(jù)實際傳輸、終端處理的需要，要求數(shù)據(jù)采集記錄速度要達到70 MB / s,持續(xù)寫盤陣速度要達到120 MB / s,存儲容量要求達到2 TB.對于32 bit /33 MHz 的PCI 總線，實際使用中一般能達到80 MB / s,數(shù)據(jù)進出系統(tǒng)內(nèi)存都要經(jīng)過PCI 總線，會導致總線的效率降低一半。 而系統(tǒng)的采集速度必須大于56 MB / s,所以選擇64 bit /66 MHz的PCI 總線，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俣瓤梢赃_到528 MB / s,現(xiàn)有系統(tǒng)表明64 bit /66 MHz的PCI 總線實際傳輸?shù)乃俣饶苓_到200 MB / s 以上，所以該PCI 總線的傳輸速度完全能滿足系統(tǒng)需求。