基于多站一维距离像序列的空间刚体目标三维重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多站一维距离像序列的空间刚体目标的三维重构方法，主要解决现有技术空间刚体目标散射中心重构准确度低的问题。其方案是，通过多站雷达系统获取空间刚体目标在不同视角下的宽带回波序列；对每个宽带回波序列运动补偿后提取所有散射中心的一维距离序列；关联相同散射中心的一维距离，得到一维距离历程；对一维距离历程进行欧式三维重构得到重构的散射中心坐标矩阵和雷达视线矩阵；将每个雷达重构得到的散射中心坐标矩阵对齐到第1部雷达重构的散射中心坐标矩阵上，实现多站散射中心的关联；利用雷达站位置信息估计目标散射中心在参考坐标系中的坐标。本发明专利技术提高了空间刚体目标三维姿态重构的准确度，可用于目标识别。

3D reconstruction method of spatial rigid object based on multi station one-dimensional range image sequence

【技术实现步骤摘要】
基于多站一维距离像序列的空间刚体目标三维重构方法
本专利技术属于雷达
，特别涉及一种空间刚体目标的三维重构方法，可用于目标识别。
技术介绍
空间目标三维姿态能够反映目标的形状与运动情况，在目标识别中能起到重要的作用。目标三维姿态估计广泛应用于无人机、水下探测器、卫星、计算机视觉等方面。根据电磁散射特性，空间目标在雷达视线上的投影可以等效为有限个散射中心在雷达视线上的投影，所以空间目标三维姿态可以通过散射中心在地面坐标系中的坐标来表示。现有空间目标三维姿态估计算法主要基于两类数据。一类是二维ISAR图像，基于ISAR图像的目标三维重构算法将目标散射中心投影在距离-多普勒平面，利用投影图像序列重构目标三维坐标。但对于复杂运动的目标，传统的RD算法无法得到聚焦的ISAR图像，不能保证图像的配准，进而影响重构的精度。另一类是一维距离像序列，一维距离像序列是目标散射中心运动轨迹在雷达视线上的投影，在雷达视线方向未知的条件下，基于一维距离像序列的三维重构方法可根据刚体几何不变性约束，采用因式分解的方法同时获得目标散射中心坐标矩阵和运动矩阵，但却存在重构出来的目标散射中心坐标矩阵与真实散射中心坐标矩阵相差一个任意的旋转矩阵的问题，难以实现对目标三维姿态的准确重构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于多站一维距离像序列的空间刚体目标的三维姿态重构方法，以避免重构出来的目标散射中心坐标矩阵与真实散射中心坐标矩阵相差一个任意的旋转矩阵的问题，实现对空间刚体目标三维姿态的准确重构。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)根据空间刚体目标与雷达组网中各个雷达的位置关系，建立多站目标观测模型；(2)通过多站目标观测模型中的多个雷达获得空间刚体目标在不同视角下的宽带回波序列，对每个宽带回波序列进行运动补偿，并对补偿后的回波序列采用迭代自适应算法IAA得到超分辨的目标一维距离像序列矩阵，再提取该序列矩阵的每一列峰值，获得空间刚体目标N个散射中心的一维距离序列，其中N是目标散射中心总数；(3)根据目标相邻时刻运动缓慢的特性，采用卡尔曼滤波和最近邻域标准滤波器NNSF将相同散射中心的一维距离关联起来，得到每个宽带回波的N个散射中心一维距离历程；(4)利用三维重构方法对每个雷达站得到的N个散射中心一维距离历程进行三维欧式重构，分别得到欧式重构的目标散射中心位置矩阵和雷达视线矩阵重构得到的每个雷达站的目标散射中心位置矩阵与真实散射中心位置矩阵之间都存在一个任意旋转矩阵；(5)以第1部雷达重构的散射中心坐标作为参考坐标，将每个雷达重构的散射中心坐标对齐到参考坐标上，实现多站散射中心的关联：(5a)在满足旋转矩阵正交性约束的条件下，保证对齐后的第j部雷达重构的散射中心坐标与参考坐标误差最小，表示公式如下：其中，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M，M是多站目标观测模型中的雷达总数，是第1部雷达重构的第i个散射中心的坐标，即参考坐标，是第j部雷达重构的第i个散射中心的坐标，Rj是第j部雷达重构散射中心坐标与参考坐标之间的旋转矩阵，是矩阵Rj的转置，I是主对角线上元素都为1的单位矩阵；(5b)采用奇异值分解方法求解式<1>，得到雷达重构散射中心坐标与参考坐标间的旋转矩阵估计值进而得到各部雷达关联后的散射中心坐标矩阵和雷达视线矩阵其中，是第j部雷达欧式重构后的目标散射中心坐标矩阵，是第j部雷达欧式重构后的雷达视线坐标矩阵；(6)利用雷达站位置信息估计每一时刻第1部雷达重构的N个散射中心坐标矩阵与真实散射中心坐标矩阵之间的旋转矩阵，得到每一时刻N个散射中心的真实三维坐标矩阵估计值：(6a)在满足旋转矩阵正交性约束的条件下，保证每一时刻关联后的雷达视线矢量与真实雷达视线矢量误差最小，表示公式如下：其中，是根据雷达站位置信息得到的第j部雷达tk时刻的真实雷达视线单位方向矢量，是的第k列，即第j部雷达tk时刻关联后的雷达视线单位方向矢量；Ok为tk时刻关联后的雷达视线单位方向矢量与真实单位方向矢量间的旋转矩阵，是矩阵Ok的转置，tk是宽带回波序列中的某一时刻；(6b)设多站目标观测模型中雷达总数M＝3，此时式<2>存在唯一解，通过求解式<2>得到旋转矩阵Ok，进而得到tk时刻N个散射中心的真实三维坐标矩阵估计值其中，是第1部雷达欧式重构后的目标散射中心坐标矩阵。本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：1.本专利技术采用“重构—关联”的思路，先利用一维距离历程重构目标的三维坐标，再通过重构的三维坐标完成不同雷达站散射中心的关联，相比于利用一维距离序列或者二维ISAR图像序列进行散射中心关联，散射中心三维坐标包含了刚体目标的结构信息，更容易进行关联。2.本专利技术用多站的一维距离像序列代替单站一维距离像序列，采用雷达站位置与目标位置信息消除重构坐标系与真实坐标系间的任意旋转矩阵，无需知道目标的运动形式，可实现对非合作目标进行三维重构，提高了空间刚体目标三维姿态重构的准确度。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术中的多站目标观测模型图；图3是本专利技术中的散射中心目标模型图；图4是用本专利技术仿真3部雷达得到的目标高分辨一维距离像序列图；图5是用本专利技术仿真3部雷达提取得到的一维距离历程图；图6是用本专利技术仿真t＝0.0067s时刻的4个散射中心在参考坐标系ouvw中的三维重构结果图；图7是用本专利技术仿真散射中心B在参考坐标系ouvw下的运动轨迹三维重构结果图；图8是用本专利技术仿真不同信噪比条件下的4个散射中心重构性能比较图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例及效果做进一步详细描述。参照图1，对本实例的实现步骤如下：步骤1，对空间刚体目标进行观测，通过多站雷达系统发射不同的载频信号获取目标在不同视角下的宽带回波序列。所述空间刚体目标，是指受到力的作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的目标，本实例是指形状为三棱锥的刚体目标；所述多站雷达系统，是指分布在不同地方并且发射信号之间互不影响的多个雷达站，如图2所示。步骤2，从宽带回波序列中提取空间刚体目标所有散射中心的一维距离序列。(2.1)对宽带回波序列进行运动补偿，移除目标的平动分量：使用雷达发射的窄带信号对目标进行测距，得到雷达与目标质心处的距离r0，将此距离作为参考距离，并对雷达宽带回波进行解线调处理来移除目标的平动分量，公式表示如下:其中，是快时间，tk是慢时间，Bi是第i个散射中心的散射系数，Tp是脉冲宽度，μ是调频率，Δτi(tk)＝τi(tk)-τ0，τi(tk)是第i个散射中心到雷达的双程时间，τ0＝2r0/c是目标质心到雷达的双程时间，fj是第j部雷达发射信号的载频，j'是虚数单位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多站一维距离像序列的空间刚体目标的三维重构方法，其特征在于，包括如下：/n(1)根据空间刚体目标与雷达组网中各个雷达的位置关系，建立多站目标观测模型；/n(2)通过多站目标观测模型中的多个雷达获得空间刚体目标在不同视角下的宽带回波序列，对每个宽带回波序列进行运动补偿，并对补偿后的回波序列采用迭代自适应算法IAA得到超分辨的目标一维距离像序列矩阵，再提取该序列矩阵的每一列峰值，获得空间刚体目标N个散射中心的一维距离序列，其中N是目标散射中心总数；/n(3)根据目标相邻时刻运动缓慢的特性，采用卡尔曼滤波和最近邻域标准滤波器NNSF将相同散射中心的一维距离关联起来，得到每个宽带回波的N个散射中心一维距离历程；/n(4)利用三维重构方法对每个雷达站得到的N个散射中心一维距离历程进行三维欧式重构，分别得到欧式重构的目标散射中心位置矩阵

【技术特征摘要】
20191115 CN 20191111771201.一种基于多站一维距离像序列的空间刚体目标的三维重构方法，其特征在于，包括如下：
(1)根据空间刚体目标与雷达组网中各个雷达的位置关系，建立多站目标观测模型；
(2)通过多站目标观测模型中的多个雷达获得空间刚体目标在不同视角下的宽带回波序列，对每个宽带回波序列进行运动补偿，并对补偿后的回波序列采用迭代自适应算法IAA得到超分辨的目标一维距离像序列矩阵，再提取该序列矩阵的每一列峰值，获得空间刚体目标N个散射中心的一维距离序列，其中N是目标散射中心总数；
(3)根据目标相邻时刻运动缓慢的特性，采用卡尔曼滤波和最近邻域标准滤波器NNSF将相同散射中心的一维距离关联起来，得到每个宽带回波的N个散射中心一维距离历程；
(4)利用三维重构方法对每个雷达站得到的N个散射中心一维距离历程进行三维欧式重构，分别得到欧式重构的目标散射中心位置矩阵和雷达视线矩阵重构得到的每个雷达站的目标散射中心位置矩阵与真实散射中心位置矩阵之间都存在一个任意旋转矩阵；
(5)以第1部雷达重构的散射中心坐标作为参考坐标，将每个雷达重构的散射中心坐标对齐到参考坐标上，实现多站散射中心的关联：
(5a)在满足旋转矩阵正交性约束的条件下，保证对齐后的第j部雷达重构的散射中心坐标与参考坐标误差最小，表示公式如下：



其中，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M，M是多站目标观测模型中的雷达总数，是第1部雷达重构的第i个散射中心的坐标，即参考坐标，是第j部雷达重构的第i个散射中心的坐标，Rj是第j部雷达重构散射中心坐标与参考坐标之间的旋转矩阵，是矩阵Rj的转置，I是主对角线上元素都为1的单位矩阵；
(5b)采用奇异值分解方法求解式<1>，得到雷达重构散射中心坐标与参考坐标间的旋转矩阵估计值进而得到各部雷达关联后的散射中心坐标矩阵和雷达视线矩阵



其中，是第j部雷达欧式重构后的目标散射中心坐标矩阵，是第j部雷达欧式重构后的雷达视线坐标矩阵；
(6)利用雷达站位置信息估计每一时刻第1部雷达重构的N个散射中心坐标矩阵与真实散射中心坐标矩阵之间的旋转矩阵，得到每一时刻N个散射中心的真实三维坐标矩阵估计值：
(6a)在满足旋转矩阵正交性约束的条件下，保证每一时刻关联后的雷达视线矢量与真实雷达视线矢量误差最小，表示公式如下：



其中，是根据雷达站位置信息得到的第j部雷达tk时刻的真实雷达视线单位方向矢量，是的第k列，即第j部雷达tk时刻关联后的雷达视线单位方向矢量；Ok为tk时刻关联后的雷达视线单位方向矢量与真实单位方向矢量间的旋转矩阵，是矩阵Ok的转置，tk是宽带回波序列中的某一时刻；
(6b)设多站目标观测模型中雷达总数M＝3，此时式<2>存在唯一解，通过求解式<2>得到旋转矩阵Ok，进而得到tk时刻N个散射中心的真实三维坐标矩阵估计值



其中，是第1部雷达欧式重构后的目标散射中心坐标矩阵。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中对每个宽带回波进行运动补偿，是将窄带测距得到的距离r0作为参考距离，对雷达宽带回波进行解线调处理来移除目标的平动分量，公式表示如下:



其中，是快时间，tk是慢时间，Bi是第i个散射中心的散射系数，Tp是脉冲宽度，μ是调频率，Δτi(tk)＝τi(tk)-τ0...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴奉周，王艳静，苏楠，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61