卫星相机载荷测试系统
一、项目背景
卫星相机分系统由星相机1、星相机2、相机成像处理器、红外整合处理单元等多个单机组成，各单机之间通过高速光纤接口交联，数据速率高、数据量大。传统测试手段难以同时满足"多路光纤接口全覆盖、高速数据不丢数、图像实时可判读"三方面要求，因此需研制专用的快视地检设备，在整机测试与单机调试阶段提供统一的高速图像采集、存储与显示手段。
- 多路光纤接口：需同时覆盖星相机1、星相机2、相机成像处理器、红外整合处理单元的全部光纤接口。
- 多类单机接口：需覆盖成像处理器、红外整合处理单元、可见线阵焦面、面阵单板、长波红外焦面电路单板、中波红外焦面电路单板共 6 个子设备的接口测试。
- 高速不丢数：光纤数据经板卡写入内存、内存中转、落盘存储三个环节均须达到 6GB/s 且不丢数。
- 长时间连续运行：测试过程需长时间连续采集大量数据，对散热、稳定性与数据一致性提出高要求。
二、系统架构
快视设备采用“光纤接口接入-板卡采集-内存中转-阵列存储-GPU 处理-显示判读”的数据链路，各环节均按 6GB/s 以上带宽设计，并通过主备一体架构保证可用性。
图1 快视设备系统组成与数据流程框图
数据流程如下：
① 被测单机经高速光纤接口输出图像数据；
② 高速光纤采集板卡接收数据，通过PCIE 4.0 x16 总线以 XDMA 方式写入主机内存；
③ 内存中的数据经多线程高效拷贝完成中转；
④ 通过 PCIe 写入 NVMe 阵列存储板完成落盘；
⑤ GPU 对图像进行并行计算与处理；
⑥ 快视软件完成图像显示、回放、判读与数据管理。
三、关键技术
系统围绕"高速、不丢数、可长时间运行"三个核心问题，突破并验证了 7 项关键技术，其中采集、拷贝、存储三个环节实测速率均达到 9GB/s，优于 6GB/s 的设计目标，如表 1 所示。
表 1 关键技术及实测结果
| 序号 | 关键技术 | 设计目标 | 实测结果 | 效果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 光纤板卡通讯技术（PCIe 4.0 XDMA + 高性能 FPGA） | FPGA 经 PCIe x16 写入内存达 6GB/s | 实测 9GB/s | 光纤接收不丢数 |
| 2 | 内存高效拷贝技术（4 线程） | 内存拷贝速率达 6GB/s | 实测 9GB/s | 内存中转不丢数 |
| 3 | 存储阵列技术 | 内存经 PCIe 写入存储阵列达 6GB/s | 实测 9GB/s | 落盘存储不丢数 |
| 4 | GPU 并行计算技术 | 图像并行计算加速 | — | 提升图像处理实时性 |
| 5 | FPGA 数据对齐下传 | 多路数据对齐后下传 | — | 保证下传数据正确 |
| 6 | 机柜液冷技术 | 长时间连续运行散热 | — | 保障连续测试稳定性 |
| 7 | 灵活构建架构（主备一体） | 主备一体、可独立使用并扩展 | — | 提高可用性与可扩展性 |
四、主要硬件配置
快视设备以高速采集服务器为核心，配置多块高速光纤采集板卡与 NVMe 阵列存储板，通过 400G 光纤网卡与高速交换机实现数据汇聚。
（一）高速采集服务器
选用 4U 高算力、高速存储服务器，基于 Intel 第四代至强处理器平台，支持 CPU-GPU 协同，满足计算、图像加速与高速存储等业务需求，主要配置如表 2 所示。
表 2 高速采集服务器主要配置
| 项目 | 配置 |
|---|---|
| 机型 | 4U 机架式，自主研发高算力、高速存储服务器 |
| 处理器 | Intel 至强 Gold 6434 × 2：8 核 / 16 线程，基频 3.70GHz，睿频 4.10GHz，TDP 195W |
| 内存 | DDR5 4800MHz 32GB × 8 |
| 总线 | DDR5 + PCIe Gen5，低时延 |
| 扩展槽 | 后置 8×PCIe 5.0 x16 + 2×PCIe 5.0 x8；前置 2×PCIe 5.0 x16 |
| 存储 | 24 盘位 SATA/SSD |
| 电源 | 2700W 2+2 铂金冗余电源，配 L 型导轨 |
（二）板卡配置
板卡配置如表 3 所示。
表 3 主要板卡配置
| 设备 | 槽位配置 | 数量 |
|---|---|---|
| 高速采集服务器 1 | 前置：高速光纤采集板卡 × 4、NVMe 阵列存储板 × 4； 后置：400G 光纤网卡 × 1 | 9 块 |
| 高速采集服务器 2 | 高速光纤采集板卡 × 4、NVMe 阵列存储板 × 4 | 8 块 |
| 合计 | 高速光纤采集板卡 8 块、NVMe 阵列存储板 8 块、400G 光纤网卡 1 块 | — |
（三）NVMe 阵列存储板
选用 HighPoint SSD7540 阵列存储板，提供大容量与超高带宽，主要指标如表 4 所示。
表 4 NVMe 阵列存储板主要指标
| 项目 | 指标 |
|---|---|
| 总线接口 | PCIe 4.0 x16 |
| 盘位数量 | 8 × M.2 NVMe SSD |
| 传输速率 | 最高 28000MB/s |
| 存储容量 | 最大支持 64TB |
| 工作温度 | +5℃ ~ +55℃ |
| 存储温度 | -20℃ ~ +80℃ |
五、软件功能
快视软件围绕"自动化人机交互、参数设置、测试流程管理、数据管理"构建，充分利用 Windows 平台的图形界面、同步/异步通讯、多进程与多线程能力，以向导式对话引导用户完成系统设置、被测件设置与自动测试，操作直观、执行可靠。
- 图像接收与存储：多路光纤图像数据实时接收、缓存与落盘，保证不丢帧、不丢数。
- 图像显示与回放：实时快视显示、历史数据回放，支持图像缩放、拼接与灰度/源码显示。
- 参数与流程管理：测试参数、测试流程可配置，支持向导式操作与自动化执行。
- 数据管理：测试数据统一存储、查询与导出，便于事后分析与问题追溯。
- 状态监控与维护：设备工作状态、维护信息、工作参数可检查，协助快速定位故障。
六、应用效果
- 接口全覆盖：实现相机分系统全部光纤接口，以及 6 类单机接口的全面检测，保证各子设备接口功能正常。
- 高速不丢数：采集、内存拷贝、落盘存储三环节实测均达 9GB/s（目标 6GB/s），实现全链路"不丢数"。
- 连续运行能力：液冷机柜与冗余电源设计支撑长时间连续测试，保障数据一致性。
- 可用性与扩展性：主备一体架构可独立使用并灵活扩展测试设备，适应多工位、多阶段测试需求。
- 工程可继承：模块化软硬件架构与货架产品选型，降低研制风险与成本，便于后续型号复用。