Fast Spectrograph Corrections on Programmable Logic

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet som en del av HYPer-spectral Smallsat for ocean Observation (HYPSO) prosjektet på NTNU. Målet til HYPSO prosjektet er å sende opp flere såkalte CubeSats til jordas omløpsbane. CubeSat’ene blir så brukt for oseanografisk observasjon. CubeSat’ene har dimensjonene 10 cm x 20 cm x 30 cm. Den lille formfaktoren gjør at maskinvaren som kan plasseres i satellittene er begrenset. Dermed må all program og maskinvare som brukes på satellittene være tilpasset disse begrensningene.

Problemstillingen denne masteroppgaven tar for seg er korreksjon av feilregistrering og avvik som blir tatt opp av den hyperspektrale imageren som er på satellittene. Det er spesifikt korreksjonen av de såkalte smile og keystone effektene som blir fokusert på. I forkant av denne masteroppgaven ble det gjennomført en gjennomførbarhetsstudie, der en programvareløsning for korreksjonene ble utviklet. Dessverre ble korreksjonene ved hjelp av denne løsningen ikke utført raskt nok. Noe som ledet til denne masteroppgaven, som har som mål å implementere en løsning på programmerbar logikk.

Korreksjonene er delt inn i to hovedfunksjoner. Denne første funksjonen generer korreksjonsmatrisen, noe som blir gjort i programvare som ble utviklet i gjennomførbarhetsstudien. Denne delen vil dermed ikke være en del av arbeidet gjort i masteroppgaven. Den andre funksjonen gjør de faktiske korrigeringene. Korrigeringen er gjort ved å multiplisere korreksjonsmatrisen med en ukorrigert hyperspektralramme.

Korreksjonene på programmerbar logikk er gjort ved å sende data, som trengs for korreksjonene, fra systemminne til programmerbar logikk. Dette blir gjort ved hjelp av en AXI DMA. På den programmerbare logikken blir så selve korreksjonen utført og sendt tilbake til systemminne, via AXI DMA’en. Den endelige løsningen har kun en tråd, og er tregere enn programvareløsningen. Grunnen for dette er begrenset data overføringshastighet.

This master thesis if written as part of the larger project that is the HYPer-spectral Smallsat for ocean Observation (HYPSO) mission at NTNU. The goal of the Hypso mission is to eventually launch several CubeSats into earths orbit. The CubeSats are then used for oceanographic observation. The CubeSats in question have the dimensions 10 cm x 20 cm x 30 cm. This small form factor limits the amount of hardware which can be put onto these satellites. Meaning software and hardware used on these CubeSats has to be designed around these limitations.

The problem this thesis focuses on is the correction of misregistrations and aberrations recorded by the hyperspectral imager, that is on-board the CubeSats. Specifically the correction of the smile and keystone effects are focused on. Prior to this thesis a feasibility study was conducted, in which a software solution for corrections was developed. This software solution however was not able to do the corrections as fast as desired, thus leading to this thesis, which aims to do the corrections on programmable logic.

The corrections are separated into two main functions. The first one is the generation of the correction matrix. This is done in software developed during the feasibility study, and will not be part of the work done in this thesis. The second function does the actual corrections. The corrections are done by multiplying the correction matrix with an uncorrected hyperspectral frame.

The corrections on programmable logic are done by transferring the correction data from the on-board memory, with the help of the AXI DMA, to the programmable logic. Which then does the corrections and sends the corrected data back to memory, via the AXI DMA. The final solution contains only one thread and performance worse than the software solution. The worse performance is a result of data transfer speeds.