空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法技术

本发明专利技术公开了空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，属于雷达信号处理技术领域；其实现过程是：首先采用距离‑多普勒算法获得空间目标的高分辨二维ISAR图像序列；然后，基于三轴稳定空间目标的运动特点，构建空间目标观测模型，同时利用雷达对空间目标的测量信息，计算空间目标散射中心三维位置与二维ISAR图像坐标的投影矩阵；接着，利用能量反向投影原理，通过粒子群优化算法依次优化求解空间目标上等效散射中心的三维位置，从而实现空间目标的三维重构。本发明专利技术方法无需对单个散射中心进行提取和航迹的关联处理，提高了三维重构的精度和效率，大大简化了重构算法。

Energy back projection and 3D reconstruction of space target ISAR image sequence

【技术实现步骤摘要】
空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法
本专利技术属于雷达信号处理
，特别涉及空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法。
技术介绍
逆合成孔径雷达(InverseSyntheticApertureRadar，ISAR)成像技术是对空间目标进行观测的最有效的途径之一。它通过雷达发射一系列宽带电磁脉冲信号对空间目标进行长时间、大角度的持续观测，并对回波信号进行距离向脉冲压缩和方位向相干积累，从而得到观测目标的二维高分辨率图像。但是，通过上述方法得到的二维ISAR图像只是空间目标三维结构在雷达成像平面的投影，无法真实反映空间目标的三维结构，不利于后续的空间目标分类和识别，因此，对空间目标三维成像方法的研究是目前ISAR成像领域的热点。现阶段ISAR三维成像的方法大致可分为两大类，一类是基于多基地雷达的干涉三维成像方法。基于双基干涉ISAR的非合作目标三维重构方法是通过两个正交基线测得的干涉相位，来共同估计目标的有效旋转矢量和散射中心相对成像平面的高度，从而得到散射中心的空间三维坐标，实现空间目标的三维重构。但是，上述方法需要利用每个雷达所获得的二维ISAR图像来估计散射点相对于成像平面的高度，数据量巨大。而基于压缩感知的干涉ISAR三维成像方法，解决了传统干涉ISAR三维成像数据量大的问题。虽然这类三维成像方法不需要对目标进行长时间、大角度的持续观测，但是其对雷达系统硬件设备的要求较高，通常需要两部以上的雷达，且雷达站的分布需要满足一定的几何关系。为了能减小硬件复杂度，利用现有的ISAR设备对空间目标进行三维成像，另一类基于单基地雷达ISAR图像序列对空间目标结构进行三维重构的方法受到国内外学者越来越多的关注。国外学者提出了一种改进的基于投影变换的图像配准方法，并通过传统因式分解方法重构得到空间目标的三维结构。但是在实际中，散射中心后向散射系数的各向异性变化和不同散射中心的相互遮挡会造成航迹矩阵存在缺损数据，导致无法直接使用因式分解方法进行三维重构。为了解决这一问题，有学者利用改进EM算法进行航迹矩阵缺损数据的填充，首先将散射点在ISAR图像上投影点的运动近似为椭圆运动，并利用已知的信息对椭圆运动参数进行估计，然后利用卡尔曼滤波得到缺失的航迹矩阵元素的初始值，最后利用航迹矩阵的低秩特性和椭圆运动规律，利用改进的EM算法得到完整的航迹矩阵，从而通过因式分解实现三维重构。但是，传统的因式分解方法需要对每一帧ISAR子孔径图像进行方位向定标，获得散射中心的二维真实坐标，导致算法计算量比较大。对此，一种联合方位定标和三维重构的方法较好的解决了这一问题。首先，将目标的等效转动角速度建模为关于时间的多项式形式，随后，提出松弛约束的因式分解方法对散射中心三维位置进行重构，然后通过投影向量来估计目标等效旋转运动参数，重新对散射中心方位向进行定标处理。该方法通过迭代应用松弛约束因式分解方法和旋转运动参数估计实现方位定标和散射中心三维位置的重构。通过上述分析可知，基于单传感器的空间目标三维成像方法依赖于对散射中心航迹矩阵的精确估计，进而利用因式分解方法实现空间目标的三维成像。但是，空间目标在微波频段的电磁散射特性具有各向异性，对于具有复杂结构的空间目标，其很难等效于固定位置的散射中心，使得散射中心提取和关联的基础将不复存在。同时，空间目标不同部件之间存在相互遮挡，也给现有散射中心的提取和关联带来诸多挑战。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提出空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法。该方法利用单基地雷达二维ISAR图像序列获得空间目标的三维结构信息；充分利用三轴稳定空间目标的运动特点，直接对空间目标上散射中心在序列ISAR图像上的投影位置能量分布进行积累，将二维ISAR图像的散射中心能量分布反向投影至三维空间，实现散射中心三维位置的重构。该方法无需对单个散射中心进行提取和航迹的关联处理，提高了三维重构的精度和效率，大大简化了重构算法。本专利技术的技术原理：首先采用距离-多普勒算法获得空间目标的高分辨二维ISAR图像序列；然后，基于三轴稳定空间目标的运动特点，构建空间目标观测模型，同时利用雷达对空间目标的测量信息，计算空间目标散射中心三维位置与二维ISAR图像坐标的投影矩阵；接着，利用能量反向投影原理，通过粒子群优化算法依次优化求解空间目标上等效散射中心的三维位置，从而实现空间目标的三维重构。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以解决。空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，包括以下步骤：步骤1，接收空间目标逆合成孔径雷达回波；对接收的雷达回波依次进行高速补偿、距离压缩、平动补偿、距离徙动校正和自聚焦操作，得到空间目标的高分辨二维ISAR图像；步骤2，构造空间目标观测模型；根据瞬时雷达视线信息，构造空间目标散射中心三维坐标到ISAR二维成像平面的投影矩阵；步骤3，利用反向投影原理，即空间目标散射中心在二维ISAR图像序列上会形成投影航迹的特性，以散射中心在ISAR图像序列中的能量积累为优化的目标函数，利用粒子群优化算法依次搜索空间目标上等效散射中心的三维位置，实现空间目标的三维重构。基于本专利技术提供的空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，首先分析三轴稳定空间目标的运动特点，推导出空间目标散射中心三维位置向二维成像平面上的投影模型；然后利用距离-多普勒算法获得空间目标的高分辨二维ISAR图像序列，并根据雷达对空间目标的测量信息获得投影矩阵；接着，利用反向投影原理，通过粒子群优化算法依次搜索空间目标上等效散射中心的三维位置，从而实现空间目标的三维重构。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术方法直接利用空间目标三维结构向二维成像平面上的投影关系，通过PSO算法估计得到空间目标真实三维坐标信息，避免了传统因式分解方法中繁琐的目标散射中心提取和航迹关联操作，使得整体算法更加简洁高效，也解决了由于散射中心各向异性和不同散射中心相互遮挡引起的散射中心提取与航迹关联难以实现的问题，提高了重构精度。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1为本专利技术提供的空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法流程示意图；图2为本专利技术实施例的空间目标观测模型示意图；图3为本专利技术实施例的空间目标点模型示意图；图4为本专利技术实施例的轨道面坐标系下雷达视线单位矢量变化曲面图；图5为本专利技术实施例的空间目标点模型高分辨二维ISAR图像；其中，5(a)为第1个子孔径成像结果图；5(b)为第10个子孔径成像结果图；5(c)为第20个子孔径成像结果图；图6为本专利技术实施例中采用本专利技术方法对空间目标点模型三维重构结果和模型真实三维结构的对比图；其中，6(a)为空间目标点模型重构结果与其真实结构在三维空间的对比图；6(b)为空间目标点模型重构结果与其真实结构在XOY平面投影的对比图；6(c)为空间目标点模型重构结果与其真实结构在YOZ平面投影的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，接收空间目标逆合成孔径雷达回波；对接收的雷达回波依次进行高速补偿、距离压缩、平动补偿、距离徙动校正和自聚焦操作，得到空间目标的高分辨二维ISAR图像；/n步骤2，构造空间目标观测模型；根据瞬时雷达视线信息，构造空间目标散射中心三维坐标到ISAR二维成像平面的投影矩阵；/n步骤3，利用反向投影原理，即空间目标散射中心在二维ISAR图像序列上会形成投影航迹的特性，以散射中心在ISAR图像序列中的能量积累为优化的目标函数，利用粒子群优化算法依次搜索空间目标上等效散射中心的三维位置，实现空间目标的三维重构。/n

【技术特征摘要】
1.空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，接收空间目标逆合成孔径雷达回波；对接收的雷达回波依次进行高速补偿、距离压缩、平动补偿、距离徙动校正和自聚焦操作，得到空间目标的高分辨二维ISAR图像；
步骤2，构造空间目标观测模型；根据瞬时雷达视线信息，构造空间目标散射中心三维坐标到ISAR二维成像平面的投影矩阵；
步骤3，利用反向投影原理，即空间目标散射中心在二维ISAR图像序列上会形成投影航迹的特性，以散射中心在ISAR图像序列中的能量积累为优化的目标函数，利用粒子群优化算法依次搜索空间目标上等效散射中心的三维位置，实现空间目标的三维重构。


2.根据权利要求1所述的空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，其特征在于，步骤1包含以下子步骤：
(1.1)通过逆合成孔径雷达采集空间目标的回波数据，获取空间目标的长时间、大角度的连续回波数据；
(1.2)构造高速补偿相位项，对目标高速运动引起的一维距离像展宽现象进行校正；
(1.3)构造脉冲压缩参考信号，对目标回波信号进行距离向脉冲压缩操作，得到目标高分辨一维距离像；
(1.4)根据ISAR系统采样率、重复频率和高分辨一维距离像上目标位置，确定距离向点数Mr、脉冲积累次数Ma和滑窗步长，将经步骤(1.3)处理后的连续回波数据即目标高分辨一维距离像划分为大小为Mr×Ma的K段，得到K段回波数据；其中，距离向点数Mr和脉冲积累次数Ma的选取应保证每段回波数据的成像结果分别包含完整的空间目标；
(1.5)首先对每段回波数据分别采用相邻相关法进行包络对齐操作，消除目标平动带来的包络偏移；然后采用keystone变换消除散射点跨距离单元徙动量；最后通过基于最小熵准则的自聚焦操作，补偿平动引起的初相误差，即可获得高分辨的二维ISAR图像Ik。


3.根据权利要求1所述的空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，其特征在于，所述构造空间目标观测模型包含：
首先，建立空间目标轨道面坐标系O-XYZ，其中，OZ指向地心方向，OZ与空间目标运动方向所形成的平面称作轨道平面，OX在轨道平面内且指向空间目标运动方向，OY方向通过右手准则确定；
建立地心惯性坐标系O1-X1Y1Z1，其中，O1代表地心，O1X1轴经过零度经线与赤道交点，O1Y1轴经过90度经线与赤道交点，O1Z1轴指向北极星；
建立雷达测量坐标系O2-UVW，其中，O2表示雷达站位置，O2U和O2V在水平面内且O2U指向正东，O2V指向正北，O2W通过右手定则确定；
然后，获取轨道面坐标系下瞬时雷达视线l＝Tc·lr＝[-cosφ(t)cosθ(t)，-cosφ(t)sinθ(t)，-sinφ(t)]T，其中，Tc为雷达测量坐标系到目标轨道面坐标系的变换矩阵，lr为雷达视线测量值；φ(t)、θ(t)分别为轨道平面坐标系中的雷达视线俯仰角和方位角，t为方位慢时间。


4.根据权利要求3所述的空间目标ISAR图像序列能量反向投影与三维重构方法，其特征在于，所述根据瞬时雷达视线信息，构造空间目标散射中心三维坐标到ISAR二维成像平面的投影矩阵，其具体为：
(2.1)计算雷达站在轨道面坐标系下的瞬时坐标：pr＝[r0(t)cosφ(t)cosθ(t)，r0(t)cosφ(t)sinθ(t)，r0(t)sinφ(t)]T；
其中，r0(t)为雷达与目标转动中心的瞬时距离；
(2.2)对于目标上任意一点pn＝[xn，yn，zn]T，计算其到雷达的距离在雷达视线上的投影rn(t)＝(pn-pr)T×l，化简后可表示为：
rn(t)＝r0(t)-xncosφ(t)cosθ(t)-yncosφ(t)sinθ(t)-znsinφ(t)；
其中，r0(t)在ISAR成像中称为目标的平动分量，在成像时对该目标的平动分量进行补偿和去除，得到平动补偿后的空间目标上点pn到雷达的距离在雷达视线上的投影的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：周峰，周佐邦，刘磊，杜荣震，白雪茹，石晓然，
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