一种雷达系统全链路建模及系统优化方法与流程

1.本发明涉及毫米波雷达领域，特别是涉及一种雷达系统全链路建模及系统优化方法。


背景技术：

2.就业界常规研发设计流程来看，4d毫米波雷达系统的天线、射频模拟soc(系统级芯片)、基带处理架构、核心算法大多采取独立建模的方法，即基于局部模型开展芯片研发设计和系统研发设计，未充分考虑各功能模块之间的强耦合关系，仅能实现局部最优系统，难以实现系统功能、性能指标的整体全局最优设计。
3.另一方面，就当前4d毫米波雷达产业的研发模式来看，系统集成厂商与芯片厂商难以深度参与对方的研发设计，各自采取相互较为“独立”的研发模式，系统、算法、芯片之间存在一定程度的“脱节”，无法进一步提升系统功能性能，或者在同等系统功能性能情况下，无法进一步降低系统成本、功耗等指标。
4.在建模方法方面，对于天线和射频模拟soc，大多采取软件仿真的方法进行建模分析，例如agilent ads、ansoft designer和hfss等；对于基带处理架构和核心算法，基本采取理论建模与代码仿真相结合的方式；对于传统的毫米波雷达系统建模，通常采取理论计算的方式，从应用场景需求入手，逐级分解系统功能、性能指标到天线、芯片或者算法的顶层指标，或者根据当前提供的天线、芯片、算法顶层指标，复核系统功能性能是否满足使用场景需求，无法深度参与天线、芯片、基带处理以及算法的底层架构和底层指标。
5.在4d毫米波雷达系统研究领域，还未有包括天线、毫米波射频模拟前端soc芯片、基带处理以及算法的底层架构、底层设计参数以及底层指标在内的4d毫米波雷达系统全链路模型，也缺少基于全链路模型的系统级耦合优化方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提出一种雷达系统全链路建模及系统优化方法，建立雷达系统全链路模型，以及基于全链路模型解决系统级耦合优化的问题。
7.为了达到上述目的，本发明提供了一种雷达系统全链路建模方法，包括：
8.根据雷达系统的应用场景抽象出所述雷达系统的系统顶层需求；
9.根据所述系统顶层需求，通过建模分析建立所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系；
10.分别建立各分部件顶层指标与其分部件架构及其分部件底层设计参数之间的多元映射关系。
11.可选的，所述系统顶层需求包括功能、性能及适应性指标要求中的一种或多种组合。
12.可选的，所述建模分析包括通过理论建模分析、离散测试数据统计建模分析以及参数化有限元仿真验证分析相结合的方法。
13.可选的，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：最大探测距离与模数转换器采样率、调制斜率、发射功率、天线增益、射频模拟链路噪声系数、通道隔离度、射频模拟杂散抑制程度、系统损耗、相噪、模数转换器采样点数以及线性调频信号积累个数中的一种或多种组合之间的多元映射关系。
14.可选的，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：角度分辨率与布阵方式、发射阵列方向图、接收阵列方向图、射频模拟通道短时及长时幅相一致性、波束合成模式、基带处理算力及架构、信号处理架构及算法指标中的一种或多种组合之间的多元映射关系。
15.可选的，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：速度探测范围以及速度探测分辨率分别与信号频率、线性调频信号参数、基带算力、速度解模糊算法、杂散抑制以及相噪指标中的一种或多种组合之间的多元映射关系。
16.可选的，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：场景适应性与天线架构、毫米波射频模拟系统级芯片架构、基带处理架构以及算法架构中的一种或多种组合之间的多元映射关系。
17.可选的，建立天线阵列顶层指标与天线阵列组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
18.可选的，建立毫米波射频模拟系统级芯片顶层指标与毫米波射频模拟系统级芯片组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
19.可选的，建立基带处理顶层指标与基带处理架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
20.可选的，建立核心算法顶层指标与算法架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
21.本发明还提供了一种基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，包括：
22.采用如上所述的雷达系统全链路建模方法建立参数化仿真模型；
23.搭建综合仿真模型；
24.建立并完成基带处理架构的验证；
25.实现顶层计算结果与底层设计结果的耦合交互。
26.可选的，所述基带处理架构包括算法强耦合的高算力专用处理架构以及可灵活重构的通用处理架构。
27.可选的，所述顶层计算结果与底层设计结果的耦合交互包括：根据反馈及耦合优化目标，调整底层设计参数。
28.可选的，还包括实现所述基带处理架构的逻辑仿真和原型验证。
29.与现有技术相比，本发明方案提供了建立雷达系统全链路广义模型的方法，并解决雷达系统强耦合优化问题，获取雷达系统的全局最优设计方案，在系统一体化设计的基础上，支撑天线阵列、毫米波射频模拟soc前端芯片、毫米波封装、基带处理架构和核心算法的研发，实现雷达系统的全局最优功能和性能。
附图说明
30.图1是本发明实施例一中雷达系统全链路建模方法流程图；
31.图2是本发明实施例一中基于逐级分层分解思想的雷达系统全链路广义建模方法示意图；
32.图3是本发明实施例二中基于雷达系统全链路模型的系统优化方法流程图。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
34.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
35.实施例一
36.请参考图1-图2，本发明方案提供了一种雷达系统全链路建模方法，包括以下步骤：
37.s11、根据雷达系统的应用场景抽象出所述雷达系统的系统顶层需求；
38.s12、根据所述系统顶层需求，通过建模分析建立所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系；
39.s13、分别建立各分部件顶层指标与其分部件架构及其分部件底层设计参数之间的多元映射关系。
40.在本发明实施例中，基于逐级分层分解思想的技术路线和方法建立雷达系统全链路广义模型，其中，步骤s11从智能交通与智能驾驶车路协同应用场景入手，面向需求，考虑各种应用边界，抽象出具体应用对雷达系统的顶层需求，即建立场景需求模型。
41.场景需求模型包括功能、性能及适应性指标方面的要求。
42.具体的，场景需求模型包括但不限于测距指标、测速指标、测角指标、动态范围、刷新率、场景适应性、目标适应性、环境适应性、可重构需求、功耗、机械接口、电气接口等方面的要求。
43.在步骤s12中，基于雷达系统顶层需求，通过理论建模分析、离散测试数据统计建模分析以及参数化有限元仿真验证分析相结合的办法，建立系统顶层需求与各分部件顶层指标之间的多元映射关系，即建立系统顶层模型。
44.具体的，系统顶层模型包括但不限于：
45.1、最大探测距离与adc(模数转换器)采样率、调制斜率、发射功率、天线增益、射频模拟链路噪声系数、通道隔离度、射频模拟杂散抑制程度、系统损耗(匹配损耗、插入损耗、回波损耗等)、相噪、adc采样点数、chirp(线性调频信号)积累个数等指标之间的多元映射关系。
46.2、角度分辨率与布阵方式(均匀布阵或稀疏布阵)、发射阵列方向图、接收阵列方向图、射频模拟通道短时及长时幅相一致性、波束合成模式、基带处理算力及架构、信号处理架构及算法等指标之间的多元映射关系。
47.3、距离探测分辨率与有效调制带宽、距离探测范围、采样点数、相噪、杂散抑制、基带处理算力以及算法等指标之间的多元映射关系。
48.4、系统fov(视场角)与单元天线方向图、mimo(多输入多输出)方式以及阵列布阵方式等指标之间的多元映射关系。
49.5、速度探测范围与信号频率、chirp参数、基带算力、速度解模糊算法、杂散抑制以及相噪等指标之间的多元映射关系。
50.6、速度探测分辨率与信号频率、chirp参数、基带算力、速度解模糊算法、杂散抑制以及相噪等指标之间的多元映射关系。
51.7、场景适应性与天线架构、毫米波射频模拟soc(系统级芯片)架构、基带处理架构以及算法架构之间的多元映射关系。
52.8、其他系统顶层需求与系统各主要组成部分之间的多元映射关系。
53.进一步的，在步骤s13中，分别建立各分部件顶层指标与各分部件架构及各分部件底层设计参数之间的多元映射关系包括：
54.s131、基于理论分析和参数化有限元仿真分析，建立天线阵列顶层指标与天线阵列组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
55.具体的，在步骤s131中，建立天线阵列顶层指标与天线阵列组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系包括但不限于：
56.1、通过理论计算，获得阵列合成增益与阵列规模之间的映射关系。
57.2、基于商用有限元软件，通过参数化建模方法，获得阵列方向图与天线间距、阵列规模、天线布阵方式和单元天线设计参数等指标之间的映射关系。
58.3、建立其他天线阵列顶层指标与天线阵列架构及设计参数之间的映射关系。
59.s132、基于理论分析、参数化有限元仿真分析、离散测试数据统计分析及研发经验归纳总结分析相结合的方法，建立毫米波射频模拟soc顶层指标与毫米波射频模拟soc组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
60.具体的，在步骤s132中，建立毫米波射频模拟soc顶层指标与毫米波射频模拟soc组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系包括但不限于：
61.1、建立单通道发射功率与电路结构、工艺参数和变压器扎数比等底层设计参数之间的映射关系。
62.2、建立相位噪声与倍频数量、晶振源相噪、环路带宽和补偿电路等底层设计参数之间的映射关系。
63.3、建立发射通道与接收通道之间的隔离度与芯片组件间距、封装结构参数和芯片组件隔离厚度等底层设计参数之间的映射关系。
64.4、建立毫米波射频模拟soc芯片损耗与芯片封装架构及参数之间的映射关系。
65.5、建立其他毫米波射频模拟soc芯片顶层指标与其底层设计参数之间的映射关系。
66.s133、基于理论分析、rtl(寄存器传输级)代码仿真分析及fpga(现场可编程门阵列，field programmable gate array)原型验证相结合的方法，建立基带处理顶层指标与基带处理架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
67.具体的，在步骤s133中，建立基带处理顶层指标与基带处理架构及其底层设计参数之间的多元映射关系包括但不限于：
68.1、建立基带处理算力及存储消耗与基带处理架构之间的映射关系。
69.2、建立基带处理时间开销与基带处理架构、算力消耗、存储消耗和基带运行时钟等底层设计参数之间的映射关系。
70.3、建立其他基带处理架构顶层指标与底层设计参数之间的映射关系。
71.s134、基于理论分析、包括matlab(矩阵工厂，matrix&laboratory)、c及rtl三个层级仿真，以及浮点数与定点数仿真的代码仿真分析以及fpga原型验证相结合的方法，建立核心算法顶层指标与算法架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。
72.具体的，在步骤s134中，建立核心算法顶层指标与算法架构及其底层设计参数之间的多元映射关系包括但不限于：
73.1、建立fft(快速傅里叶变换，fast fourier transformation)计算精度与fft点数、加窗系数、相位噪声等参数之前的映射关系。
74.2、建立fft物理分辨率与adc采样点数、加窗系数、相位噪声等参数之间的映射关系。
75.3、建立fft副瓣抑制比与加窗系数、相位噪声等参数之间的映射关系。
76.4、建立fft积累增益与采样点数之间的映射关系。
77.5、建立cfar(恒虚警率，constant false alarm rate)检测虚警率与fft点数、保护单元个数、参考单元个数、cfar类型、最低检测信噪比等底层设计参数之间的映射关系。
78.6、建立fft算力及存储资源需求与fft点数之前的关系。
79.7、建立cfar算力及存储资源需求与fft点数、保护单元个数、参考单元个数、cfar类型等底层设计参数之间的映射关系。
80.8、建立其他核心算法指标与底层设计参数之间的映射关系。
81.本发明实施例中，基于逐级分层分解思想，采用理论分析、参数化有限元仿真分析、离散测试数据统计分析以及fpga原型验证分析相结合的方法，实现应用场景需求到天线阵列、毫米波射频模拟soc、天线-射频互联接口、毫米波射频模拟soc封装、基带处理架构以及算法等底层架构及设计参数的多元映射；通过场景需求模型，将应用需求映射到雷达系统架构及指标要求；通过系统顶层模型，将雷达系统架构及指标要求映射到各组成部分的顶层架构和指标要求，以及各组成部分之间的耦合互联要求；通过分部件模型将分部件顶层架构、指标要求，以及各分部件之间的耦合互联要求映射到天线阵列、毫米波射频模拟soc、天线-射频互联接口、毫米波射频模拟soc封装、基带处理架构以及算法的底层架构及设计参数；通过仿真分析、统计分析、研发经验总结回归以及理论建模相结合的方式，攻克天线、毫米波射频模拟soc前端芯片、封装、基带处理与算法的联合建模关键技术，建立涵盖天线阵列、毫米波射频模拟soc前端芯片、毫米波封装、基带处理和核心算法在内的雷达系统全链路广义系统模型，实现场景到需求，需求到系统，系统到天线、芯片及算法的底层架构及指标的多元映射。
82.实施例二
83.雷达系统全链路广义模型涵盖理论分析模型、参数化有限元仿真模型、代码仿真分析模型、研发经验归纳总结模型，各个模型难以直接综合统一，尤其对于天线有限元仿真模型、射频模拟soc有限元仿真模型，天线-射频一体化互联及封装有限元仿真模型，难以直接通过显式模型表示。
84.请参考图3，为解决基于雷达系统全链路广义模型的系统一体化耦合优化设计问
题，本发明方案还提供了一种基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，采取如下所述的耦合优化策略：
85.s21、建立参数化仿真模型；
86.s22、搭建综合仿真模型；
87.s23、建立并完成基带处理架构的验证；
88.s24、实现顶层计算结果与有限元仿真软件底层设计结果的耦合交互；
89.在本实施例中，可以采用实施例一中所述的雷达系统全链路建模方法建立参数化仿真模型。
90.在步骤s22中，根据参数化仿真模型，基于matlab/simulink(矩阵工厂/可视化仿真工具)开发或编写场景需求模型、系统顶层模型、离散测试数据统计分析模型、研发经验回归总结模型、算法及处理架构仿真代码。
91.在步骤s23中，基于xilinx(赛灵思公司)逻辑开发软件开发及综合基带处理架构，包括算法强耦合的高算力专用处理架构以及可灵活重构的通用处理架构，并基于xilinx高端fpga完成专用处理架构和通用处理架构的验证。
92.在其他实施例中，可以购买基于risc-v架构的cpu ip作为通用处理架构。
93.在步骤s24中，在本实施例中，通过有限元仿真软件的二次开发接口，基于matlab开发调度及交互接口，实现matlab顶层计算结果与有限元仿真软件底层设计结果的耦合交互。
94.进一步的，matlab根据有限元仿真反馈结果及耦合优化目标，调整有限元仿真软件的底层设计参数，实现雷达系统全链路一体化耦合优化设计，获得高端核心芯片的最优或者次优设计结果，支撑高端核心芯片的研发。
95.此外，在步骤s24之后还包括：
96.s25、实现基带处理架构的逻辑仿真和原型验证。
97.在步骤s25中，通过matlab处理架构仿真代码及评价指标，完成对高算力专用处理架构的等效性评价和仿真设计，随后再基于xilinx逻辑开发软件以及高端fpga完成通用处理架构的综合，实现基带处理架构的逻辑仿真和原型验证。
98.雷达系统各关键核心部分存在强耦合关系，雷达系统全链路广义模型非常复杂，系统一体化耦合优化设计难度大，难以直接获取高端核心芯片的最优设计方案。
99.基于建立的雷达广义系统模型，采取本发明实施例所述的耦合优化策略完成天线阵列、毫米波射频模拟soc前端芯片、毫米波封装、基带处理架构和核心算法的多元强耦合优化关键技术攻关，以实现全局最优的雷达系统为目标，基于系统一体化设计思想，实现系统、芯片、基带处理以及算法的深度耦合交互式研发。
100.实施例三
101.在本实施例中，以车端4d毫米波雷达系统的全链路建模及耦合优化为例，忽略基于商用有限元仿真软件的建模过程，具体实施步骤包括：
102.s31、根据车端4d毫米波雷达系统的应用场景，抽象出车端4d毫米波雷达系统的功能指标需求、性能指标需求以及适应性指标等系统顶层需求等。
103.s32、根据车端4d毫米波雷达系统的顶层需求，通过理论建模分析以及离散测试数据统计建模分析，建立车端4d毫米波雷达系统顶层需求与车端4d毫米波雷达系统各主要组
成部分之间的映射关系(后续简称系统顶层模型)。
104.s33、基于理论分析和参数化有限元仿真分析，建立天线阵列顶层指标与天线阵列架构及设计参数之间的映射关系。
105.s34、基于理论建模和商用有限元软件参数化建模方法，建立毫米波射频模拟soc芯片顶层指标与其底层设计参数之间的映射关系。
106.s35、基于商用有限元软件参数化建模方法，建立天线与毫米波射频模拟soc芯片之间的耦合互联损耗与封装底层设计参数之间的关系，包括但不限于耦合互联架构、结构参数、工艺参数、材料等参数。
107.s36、基于理论分析和仿真分析，建立核心算法顶层指标与底层设计参数之间的映射关系。
108.s37、基于理论分析、rtl代码仿真分析及fpga原型验证相结合的方法，建立基带处理架构顶层指标与底层设计参数之前的映射关系。
109.s38、基于matlab/simulink编写各理论模型、统计分析模型的仿真代码。
110.s39、使用matlab/simulink调用有限元仿真二次开发接口，编写参数化有限元仿真的控制代码。
111.s310、以车端4d毫米波雷达系统的指标需求为全链路耦合优化的目标函数，编写matlab耦合优化主程序循环调度逻辑。
112.s311、通过核心算法以及基带处理架构的matlab仿真代码，等效评价基带处理架构的rtl仿真逻辑。
113.s312、综合理论模型及统计分析模型的仿真代码、参数化有限元仿真的控制代码以及耦合优化主程序循环调度代码，利用高性能服务器运算平台，完成全链路耦合优化设计，获得车端4d毫米波雷达系统的全局最优设计结果。
114.综上所述，建立4d毫米波雷达系统全链路广义模型，解决4d毫米波雷达系统强耦合优化问题，获取4d毫米波雷达系统的全局最优设计方案，在系统一体化设计的基础上，支撑天线阵列、毫米波射频模拟soc前端芯片、毫米波封装、基带处理架构和核心算法的研发，实现4d毫米波雷达系统的全局最优功能、性能。
115.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种雷达系统全链路建模方法，其特征在于，包括：根据雷达系统的应用场景抽象出所述雷达系统的系统顶层需求；根据所述系统顶层需求，通过建模分析建立所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系；分别建立各分部件顶层指标与其分部件架构及其分部件底层设计参数之间的多元映射关系。2.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述系统顶层需求包括功能、性能及适应性指标要求中的一种或多种组合。3.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述建模分析包括通过理论建模分析、离散测试数据统计建模分析以及参数化有限元仿真验证分析相结合的方法。4.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：最大探测距离与模数转换器采样率、调制斜率、发射功率、天线增益、射频模拟链路噪声系数、通道隔离度、射频模拟杂散抑制程度、系统损耗、相噪、模数转换器采样点数以及线性调频信号积累个数中的一种或多种组合之间的多元映射关系。5.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：角度分辨率与布阵方式、发射阵列方向图、接收阵列方向图、射频模拟通道短时及长时幅相一致性、波束合成模式、基带处理算力及架构、信号处理架构及算法指标中的一种或多种组合之间的多元映射关系。6.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：速度探测范围以及速度探测分辨率分别与信号频率、线性调频信号参数、基带算力、速度解模糊算法、杂散抑制以及相噪指标中的一种或多种组合之间的多元映射关系。7.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，所述系统顶层需求与雷达系统各分部件顶层指标之间的映射关系包括：场景适应性与天线架构、毫米波射频模拟系统级芯片架构、基带处理架构以及算法架构中的一种或多种组合之间的多元映射关系。8.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，建立天线阵列顶层指标与天线阵列组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。9.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，建立毫米波射频模拟系统级芯片顶层指标与毫米波射频模拟系统级芯片组件架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。10.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，建立基带处理顶层指标与基带处理架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。11.如权利要求1所述的雷达系统全链路建模方法，其特征在于，建立核心算法顶层指标与算法架构及其底层设计参数之间的多元映射关系。12.一种基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，其特征在于，包括：采用权利要求1-11中任一项所述的雷达系统全链路建模方法建立参数化仿真模型；搭建综合仿真模型；
建立并完成基带处理架构的验证；实现顶层计算结果与底层设计结果的耦合交互。13.如权利要求12所述的基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，其特征在于，所述基带处理架构包括算法强耦合的高算力专用处理架构以及可灵活重构的通用处理架构。14.如权利要求12所述的基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，其特征在于，所述顶层计算结果与底层设计结果的耦合交互包括：根据反馈及耦合优化目标，调整底层设计参数。15.如权利要求12所述的基于雷达系统全链路模型的系统优化方法，其特征在于，还包括实现所述基带处理架构的逻辑仿真和原型验证。

技术总结
本发明揭示了一种雷达系统全链路建模及系统优化方法，建立雷达系统全链路广义模型，并解决雷达系统强耦合优化问题，获取雷达系统的全局最优设计方案，在系统一体化设计的基础上，支撑天线阵列、毫米波射频模拟SOC前端芯片、毫米波封装、基带处理架构和核心算法的研发，实现雷达系统的全局最优功能和性能。实现雷达系统的全局最优功能和性能。实现雷达系统的全局最优功能和性能。


技术研发人员：龙勇军 邹毅 王彦杰 张义军 丰光银 王志鹏 张超 付朝辉 姚衡
受保护的技术使用者：深圳市华杰智通科技有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/20