一种基于FPGA的星载干涉成像高度计的AGC调节方法与流程

本发明涉及星载宽刈幅干涉成像高度计领域，具体而言涉及一种基于fpga的星载干涉成像高度计的agc调节方法。

背景技术：

agc(automaticgaincontrol，自动增益控制)能够改善接收机的动态范围。当输入到接收机的回波信号幅度变化剧烈时，接收机通过agc能够使输出信号的幅度保持相对平稳，以便后续adc(analog-to-digitalconverter，模数转换器)采集和进一步处理。因此，agc在雷达、通信等有关模拟信号接收的领域有广泛应用。

在现有技术中，参考文献[1](中国专利cn106505959a，一种数字微波系统高增益射频通道agc控制环路，)提供了通过判断中频输出电压与临界点之间的大小来控制增益调节装置。参考文献[2](专利cn107547096a，多射频通道的agc调整方法，)提供了一种agc的调节方法，使各个射频通道根据预先设定的各自的数据接收起始时间分别开始工作，以错开时间点使各个射频通道独立进行动态agc调整。

上述技术针对通信领域相关具体应用进行设计，对星载干涉成像高度计并不适用。星载干涉成像高度计主要功能是对宽刈幅的海平面和陆表水体(较大的江河湖泊)高度的精确测量并定位。由于星载干涉成像高度计对地观测场景比较丰富，不同观测场景回波信号的幅度变化较大，星载干涉成像高度计信号处理对于不同场景期望的回波信号幅度也不相同。另外，卫星平台提供的电源、数据传输等资源都十分宝贵，希望干涉成像高度计能够快速调节agc，使获取的有效观测回波数据尽可能多。

因此，迫切需要一种能够根据不同观测场景设定目标期望回波信号幅度且快速调节的agc方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术通信领域的agc的调节方法不适用星载干涉成像高度计的问题，提供一种能够根据不同观测场景设定目标期望回波信号幅度且快速调节的agc方法。

为实现上述目的，本发明提出一种基于fpga的星载干涉成像高度计agc调节方法，具体技术方案如下所述。

一种基于fpga的星载干涉成像高度计agc调节方法，所述方法包括：

步骤1)使用“当前脉冲衰减码”进行adc采样，采集发射脉冲的回波信号；

步骤2)根据采集到的回波信号计算“当前回波幅度均值”；

步骤3)根据注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”划分为若干区间，判断“当前回波幅度均值”所在的区间是否为指定区间；

若“当前回波幅度均值”所在区间为指定区间，将“当前脉冲衰减码”作为下一个发射脉冲的回波信号采样时使用的数控衰减码值；

若“当前回波幅度均值”所在区间不是指定区间，根据判断结果和“当前脉冲衰减码”，生成“下一脉冲衰减码”，作为下一发射脉冲的回波信号采样时使用的数控衰减码值。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的adc采样为iq正交采样，adc的量化位数为mbit，adc量化后为补码形式；采样点码值范围为-2^m-1～2^m-1-1，对应的幅度范围为0～2^m-1。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)的“当前脉冲衰减码”衰减范围为0～adb；位数为pbit，所述“当前脉冲衰减码”值为0～2^p-1，单位衰减量为a/(2^p-1)db。

作为上述方法的一种改进，所述adc的量化位数为8bit，即m＝8，量程为-1v～1v；adc量化后为补码形式；采样点码值范围为-128～127，对应幅度范围为0～128。

作为上述方法的一种改进，所述发射脉冲的回波信号的采样点数n＝3000。

作为上述方法的一种改进，所述“当前脉冲衰减码”的衰减范围为0～63.5db；“当前脉冲衰减码”为7bit，即p＝7，衰减码值为0～127，0代表衰减为0，127代表衰减值为63.5db，单位衰减量为0.5db。

作为上述方法的一种改进，所述“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”的有效范围为0～2^m-1-1，且设置时同时满足以下2个条件：

a、1.2×期望回波幅度下限值＜期望回波幅度上限值＜2×期望回波幅度下限值；

b、期望回波幅度上限值＞期望回波幅度下限值+2。

作为上述方法的一种改进，根据一个发射脉冲的回波信号进行数控调整的衰减码值包括“第一衰减码”和“第二衰减码”，且满足：“第一衰减码”＞“第二衰减码”。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)包括：

步骤2-1)采用近似算法计算当前发射脉冲回波信号每个采样点的幅度ampn：

式中l＝max{|in|,|qn|}，s＝min{|in|,|qn|}，n＝1,2,3,...,n；|in|为回波信号第n个采样点i路的幅度，|qn|为回波信号第n个采样点q路的幅度；

步骤2-2)计算“当前回波幅度均值”ampmean：

n为一个脉冲回波信号采样点的数量。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)根据“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”将回波幅度均值划分为5个区间：第一区间、第二区间、第三区间、第四区间和第五区间；

步骤3-2)若“当前回波幅度均值”在第一区间，即：

若“当前回波幅度均值”＜0.5ד期望回波幅度下限值”，计算“下一脉冲衰减码”：

若“当前脉冲衰减码”＞“第一衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-“第一衰减码”；

若“第二衰减码”＜“当前脉冲衰减码”≤“第一衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-“第二衰减码”；

若“当前脉冲衰减码”≤“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”；

步骤3-3)若“当前回波幅度均值”在第二区间，即：

若0.5ד期望回波幅度上限值”≤“当前回波幅度均值”≤“期望回波幅度下限值”，计算“下一脉冲衰减码”：

若“当前脉冲衰减码”＞“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-“第二衰减码”；

若“当前脉冲衰减码”≤“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”；

步骤3-4)若“当前回波幅度均值”在第三区间；即：

若“期望回波幅度下限值”＜“当前回波幅度均值”＜“期望回波幅度上限值”，

则保持当前的衰减码值不变，

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”。

步骤3-5)若“当前回波幅度均值”在第四区间，即：

若“期望回波幅度上限值”≤“当前回波幅度均值”≤2ד期望回波幅度下限值”，计算“下一脉冲衰减码”：

若“当前脉冲衰减码”＜2^p-1-“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+“第二衰减码”；

若“当前脉冲衰减码”≥2^p-1-“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”；

步骤3-6)若“当前回波幅度均值”在第五区间，即：

若“当前回波幅度均值”＞2ד期望回波幅度下限值”，计算“下一脉冲衰减码”：

若“当前脉冲衰减码”＜2^p-1-“第一衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+“第一衰减码”；

若2^p-1-“第一衰减码”≤“当前脉冲衰减码”＜2^p-1-“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+“第二衰减码”；

若“当前脉冲衰减码”≥2^p-1-“第二衰减码”，则：

“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”。

本发明的优势在于：

1、本发明提出的agc调节方法可以适应不同的观测场景；

2、本发明提出的agc调节方法对每个发射脉冲的回波信号都进行agc调节计算，能够快速的将数控衰减码调整到合适值，使有效观测的回波数据尽可能多；

3、该方法可移植性较高，方便移植到其它雷达系统中。

附图说明

图1为本发明中agc调节的原理框图；

图2为本发明中回波信号一个采样点幅度的近似计算方法；

图3为本发明中一个发射脉冲回波信号3000个采样点幅度平均值的近似计算方法；

图4为本发明中根据注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”将回波信号采样点幅度平均值划分的5个区间；

图5为本发明中agc调节算法输出“下一个脉冲衰减码”的判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明公开了一种基于fpga的星载干涉成像高度计agc调节方法。干涉成像高度计是一种采用小入射度、短基线、新型高度跟踪算法和合成孔径技术实现远比传统底视高度计宽的观测刈幅范围内厘米级测高精度的新型高度计。2016年9月15日发射的天宫二号干涉成像高度计(也称为三维成像微波高度计)率先验证了干涉成像高度计的工作机理。干涉成像高度计为两个接收通道，本发明公开的基于fpga的agc调节方法为对两个接收通道的数控衰减码值分别独立进行调节。本发明的agc调节方法为基于fpga，计算当前发射脉冲的回波信号采样点幅度的平均值，根据注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”，以及接收当前发射脉冲的回波信号使用的数控衰减码值，进行运算和判断，输出接收下一个发射脉冲的回波信号使用的数控衰减码值。该方法可以通过注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”，调整期望得到的回波信号平均幅度，以适应不同的观测场景。同时，对每个发射脉冲的回波信号都进行agc调节计算，能够快速的将数控衰减码调整到合适值，使有效观测的回波数据尽可能多。

本发明agc调节方法的原理框图如附图1所示。基于fpga，计算当前脉冲的回波采样点幅度的平均值(简称“当前回波幅度均值”)，根据注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”，当前接收到的回波信号采样使用的数控衰减码值(简称“当前脉冲衰减码”)，进行运算和判断，输出下一个发射脉冲的回波信号使用的数控衰减码值(简称“下一脉冲衰减码”)。

所述干涉成像高度计系统adc采集为iq正交采样，adc的量化位数为mbit，adc量化后为补码形式。采样点码值范围为-2^m-1～2^m-1-1，对应的幅度范围为0～2^m-1。

所述干涉成像高度计数控衰减器的衰减范围为0～adb。fpga输出的数控衰减码为pbit，衰减码值为0～2^p-1，0代表衰减为0，2^p-1代表衰减值为adb，单位衰减量为a/(2^p-1)db。

在本实施例中，星载干涉成像高度计系统adc采集为iq正交采样。adc的量化位数为8bit，即m＝8，量程为-1v～1v。adc量化后为补码形式。采样点码值范围为-128～127，对应幅度范围为0～128。

一个发射脉冲的回波信号采样点数n＝3000。

干涉成像高度计数控衰减器的衰减范围为0～63.5db。fpga输出的衰减码为7bit，即p＝7，衰减码值为0～127，0代表衰减为0，127代表衰减值为63.5db，单位衰减量为0.5db。

通过agc调节，将一个发射脉冲的回波信号采样点幅度的平均值调整到“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”之间，即：

期望回波幅度下限值＜当前脉冲回波幅度均值＜期望回波幅度上限值

注入到fpga的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”的有效范围为0～127，且需要同时满足以下2个条件：

a、1.2×期望回波幅度下限值＜期望回波幅度上限值＜2×期望回波幅度下限值；

b、期望回波幅度上限值＞期望回波幅度下限值+2；

若fpga接收到的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”不满足以上条件，则fpga使用默认值：

期望回波幅度上限值＝52，

期望回波幅度下限值＝40。

fpga根据一个发射脉冲的回波信号幅度的均值进行数控衰减码值调整有2种选择，分别为：

第一衰减码＝6和第二衰减码＝2。

下面结合附图1对本发明基于fpga的agc调节方法的具体步骤进行描述。

步骤1)fpga接收注入的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”。判断是否在有效，若无效，则使用默认值。

步骤2)计算adc采集的当前发射脉冲回波信号每个采样点的幅度(表示为ampn)。由于fpga中直接进行平方和开根号运算比较复杂，在计算模值的过程中采取了近似算法。

式中：l＝max{|in|,|qn|}，s＝min{|in|,|qn|}，n＝1,2,3,...,3000。|in|为回波信号第n个采样点i路的幅度，|qn|为回波信号第n个采样点q路的幅度。

此近似算法在fpga中实现结构如附图2所述。其中，系数和系数均通过移位来实现。

步骤3)计算当前发射脉冲回波信号n＝3000个采样点的幅度平均值(“当前回波幅度均值”，表示为ampmean)：

近似值计算如下所述：

同样，在fpga内使用移位操作来实现系数相乘，实现方式如附图3所示。

步骤4)根据接收的“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”，对“当前回波幅度均值”进行判断，然后根据“当前脉冲衰减码”，生成下一个发射脉冲回波信号使用的数控衰减码值“下一脉冲衰减码”。

如附图4所示，根据“期望回波幅度上限值”和“期望回波幅度下限值”将回波幅度均值划分为5个区间，然后，根据“当前回波幅度均值”所处区间决定“下一脉冲衰减码”，如附图5所示。

4-1)若“当前回波幅度均值”位于第五区间，即“当前回波幅度均值”＞2ד期望回波幅度下限值”：

4-1-1)若“当前脉冲衰减码”＜121(即：2^p-1-“第一衰减码”，p＝7)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+6，衰减码值加6，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减增大3db。

4-1-2)若121≤“当前脉冲衰减码”＜125(即：2^p-1-“第二衰减码”，p＝7)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+2，衰减码值加2，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减增大1db。

4-1-3)若“当前脉冲衰减码”≥125，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”，即当前衰减码值已经最大(或接近最大)，接收机接收下一个脉冲回波时，衰减不变。此时，回波信号幅度过强，接收机agc已经无法起作用。

4-2)若“当前回波幅度均值”位于第一区间，即“当前回波幅度均值”＜0.5ד期望回波幅度上限值”：

4-2-1)若“当前脉冲衰减码”＞6(“第一衰减码”)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-6，衰减码值减6，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减减小3db。

4-2-2)若(“第二衰减码”)2＜“当前脉冲衰减码”≤6(“第一衰减码”)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-2，衰减码值减2，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减减小1db。

4-2-3)若“当前脉冲衰减码”≤2(“第一衰减码”)

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”，即当前衰减码值已经最小(或接近最小)，接收机接收下一个脉冲回波时，衰减不变。此时，回波信号幅度过小，接收机agc已经无法起作用。

4-3)若“当前回波幅度均值”位于第四区间，即“期望回波幅度上限值”≤“当前回波幅度均值”≤2ד期望回波幅度下限值”：

4-3-1)若“当前脉冲衰减码”＜125(即：2^p-1-“第二衰减码”，p＝7)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”+2，衰减码值加2，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减增大1db。

4-3-2)若“当前脉冲衰减码”≥125，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”，即当前衰减码值已经最大(或接近最大)，接收机接收下一个脉冲回波时，衰减不变。此时，回波信号幅度过强，接收机agc已经无法起作用。

4-4)若“当前回波幅度均值”位于第二区间，即0.5ד期望回波幅度上限值”≤“当前回波幅度均值”≤“期望回波幅度下限值”：

4-4-1)若“当前脉冲衰减码”＞2(即“第二衰减码”)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”-2，衰减码值减2，即接收机接收下一个脉冲回波时，衰减减小1db。

4-4-2)若“当前脉冲衰减码”≤2(即“第二衰减码”)，

则“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”，即当前衰减码值已经最小(或接近最小)，接收机接收下一个脉冲回波时，衰减不变。此时，回波信号幅度过小，接收机agc已经无法起作用。

4-5)若“当前回波幅度均值”位于第三区间，即“期望回波幅度下限值”＜“当前回波幅度均值”＜“期望回波幅度上限值”：

表明当前回波信号幅度处于期望区间内，保持当前的衰减码值不变，即“下一脉冲衰减码”＝“当前脉冲衰减码”。

本发明提出的一种基于fpga的星载干涉成像高度计agc调节方法，已经集成到天宫二号干涉成像高度计的中央控制系统中，通过地面测试和在轨运行表明，该方法可以满足星载干涉成像高度计对于回波信号幅度调节需求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。