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面向运行时自适应无损高光谱压缩的可扩展硬件在轨处理技术

DOI：10.1109/ACCESS.2019.2892308 期刊：IEEE Access 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 17:19:29
摘要： 高光谱数据处理是一项计算密集型任务，通常在高性能计算集群中完成。然而在遥感场景中，由于通信成本高昂，需要在数据采集边缘端进行压缩处理，再将信息传输至地面站进一步分析。此外，高光谱图像压缩器必须满足最低性能与能效要求，以应对传感器实时性需求和可用功率预算的限制。因此这类压缩器通常以专用硬件加速器的形式，部署在昂贵的航天级电子设备中。但近年来，这些设备开始与低成本商用方案共存——在面向研究的小型卫星任务（如立方星）中，非传统技术（如运行时硬件重构）正被评估应用。本文提出了一种基于商用现货器件实现低复杂度无损高光谱压缩算法（即CCSDS 123标准）的运行时重构方案。该方案采用基于FPGA的星载处理架构，通过数据并行执行模型透明管理可配置数量的资源高效硬件核心，动态调节吞吐量与能效比。实验表明：相比当前最先进的高光谱压缩器，本方案具有竞争力；其并行化方案对压缩率的影响在性能提升与能耗改善方面处于可接受范围?？衫┱剐圆馐越徊街っ鳎ü髡布铀倨魇靠墒迪盅顾跬掏铝坑肽苄У脑诵惺弊允视Α庖惶匦远杂谛枨笏媸奔浔浠ㄈ缤ㄐ糯砘蚬β试に惚涠┑暮教斐【熬哂兄匾壑?。
作者： Alfonso Rodríguez，Lucana Santos，Roberto Sarmiento，Eduardo de la Torre
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

在商用现货设备上，通过支持动态可重构处理的硬件架构管理可配置数量的低复杂度压缩核心，实现一种无损高光谱数据压缩算法的运行时可扩展硬件方案，旨在为航天应用达成自适应吞吐量与能效目标。

研究成果

采用ARTICo3和HyLoC加速器实现的CCSDS 123标准运行时可扩展方案，在性能上与当前最先进的高光谱压缩器相当。该方法通过调整加速器数量实现吞吐量与能效的动态适配，同时对压缩率的影响在可接受范围内。这种方案适用于立方星等低成本航天应用，并为具备重配置能力的商用设备研究提供了新思路。

研究不足

该实现依赖于商用现成设备，这些设备可能未针对太空环境进行抗辐射加固。由于缺乏板载测量电路，功耗是通过估算而非直接测量得出的。并行化方案会导致压缩率下降（对于小尺寸子图像，开销最高可达30%），而当扩展到多个加速器时（例如使用16个加速器），内存带宽可能成为瓶颈。

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