一種基于isar圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號特征控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿 態(tài)反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以下對本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有 技術(shù)。
[0003] 航天技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域后，太空的軍事斗爭愈演愈烈，奪取太空權(quán)是贏得 信息化戰(zhàn)爭勝利的前提條件，于是世界各軍事大國紛紛開展空間武器的研究。為了實現(xiàn)對 敵方目標(biāo)的打擊，急需研究敵方目標(biāo)的雷達(dá)散射特性?？臻g探測與識別成為世界各國競相 發(fā)展的熱點研究方向。
[0004] 空間目標(biāo)監(jiān)視過程中需要確定衛(wèi)星及大量空間碎片的軌道和分類識別特征參數(shù)， 如質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、功能等，以便進(jìn)一步對目標(biāo)的國別、工作狀態(tài)、空中動作、使命進(jìn)行辨 另IJ。因此迫切需要發(fā)展空間目標(biāo)雷達(dá)識別技術(shù)，根據(jù)雷達(dá)獲取的各種特征信息，提取特征參 數(shù)，結(jié)合已建立的特征樣本庫對目標(biāo)進(jìn)行判別。
[0005] 衛(wèi)星在正常運(yùn)行過程中會有不同的動作，例如調(diào)整其太陽能電池板、天線、遙感 器、星體的指向等，同時還會進(jìn)行一定的軌道調(diào)整，這些動作都將引起衛(wèi)星姿態(tài)和雷達(dá)觀測 視角的變化，給目標(biāo)識別造成很大的困難，因此首先應(yīng)該根據(jù)先驗信息和雷達(dá)ISAR圖像將 目標(biāo)的姿態(tài)識別出來，為目標(biāo)結(jié)構(gòu)類型等識別提供支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種利用ISAR圖像中主體軸和太陽板軸的尺寸信息對目 標(biāo)姿態(tài)角進(jìn)行反演的算法，可以比較準(zhǔn)確地反演出目標(biāo)在三個軸向上的姿態(tài)角，為空間目 標(biāo)姿態(tài)、結(jié)構(gòu)、類型識別等提供技術(shù)支撐。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法，包括：
[0008] S1、基于目標(biāo)的觀測時刻ISAR圖像獲取目標(biāo)的軸向特征值，所述軸向特征值包 括：太陽板軸長度1TC；、主體軸長度和主體軸方向；
[0009] S2、在偏航角Φ、俯仰角Θ和滾動角爐均為0°條件下獲取目標(biāo)的第一仿真ISAR 圖像，確定第一仿真ISAR圖像中目標(biāo)的第一仿真主體軸方向；根據(jù)所述主體軸方向和第一 仿真主體軸方向之間的夾角確定目標(biāo)的觀測時刻偏航角φ t;
[0010] S3、在Φ = 、沒= 0=()°條件下獲取目標(biāo)的第二仿真ISAR圖像，確定第二仿真 ISAR圖像中目標(biāo)的第二仿真主體軸長度；根據(jù)所述主體軸長度和第二仿真主體軸長度確 定目標(biāo)的觀測時刻俯仰角Θ t;
[0011] S4、在Φ = ι^、Θ = 條件下獲取目標(biāo)的第三仿真ISAR圖像，確定第 三仿真ISAR圖像中目標(biāo)的第三仿真太陽板軸長度；根據(jù)所述太陽板軸長度和第三仿真太 陽板軸長度確定目標(biāo)的觀測時刻滾動角；
[0012] 其中，所述觀測時刻ISAR圖像、第一仿真ISAR圖像、第二仿真ISAR圖像以及第三 仿真ISAR圖像均為目標(biāo)在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的圖像。
[0013] 優(yōu)選地，步驟S1中所述獲取目標(biāo)的軸向特征值具體為：
[0014] 選取目標(biāo)在[t-At, t+At]時間范圍內(nèi)的至少兩幅ISAR圖像；
[0015] 針對所述至少兩幅ISAR圖像中的每一幅，獲取目標(biāo)的軸向特征信息；
[0016] 以所述至少兩幅ISAR圖像的軸向特征信息的平均值作為目標(biāo)的軸向特征值； [0017] 其中，t為觀測時刻，△ t為預(yù)設(shè)的時間范圍；所述軸向特征信息是指目標(biāo)的太陽 板軸長度值、主體軸長度值和主體軸指向。
[0018] 優(yōu)選地，步驟S1之前進(jìn)一步包括：
[0019] 建立地心坐標(biāo)系、軌道坐標(biāo)系和目標(biāo)本體坐標(biāo)系，通過軌道坐標(biāo)系將目標(biāo)主體軸 和太陽板軸在目標(biāo)本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系中；
[0020] 建立雷達(dá)坐標(biāo)系和雷達(dá)觀測坐標(biāo)系，通過雷達(dá)坐標(biāo)系將目標(biāo)主體軸和太陽板軸在 地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)到雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中。
[0021] 優(yōu)選地，基于Randon變換原理獲取目標(biāo)的主體軸和太陽板軸在地心坐標(biāo)系和雷 達(dá)觀測坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
[0022] 優(yōu)選地，地心坐標(biāo)系、軌道坐標(biāo)系、目標(biāo)本體坐標(biāo)系、雷達(dá)坐標(biāo)系和雷達(dá)觀測坐標(biāo) 系之間滿足：
[0027] 式中，R。,為軌道坐標(biāo)系到目標(biāo)本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，R d。為地心坐標(biāo)系到軌道坐 標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，RdR為地心坐標(biāo)系到雷達(dá)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，RRe為雷達(dá)坐標(biāo)系到雷達(dá)觀測 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；l〇ng、lati分別為雷達(dá)觀測站位置的經(jīng)度和煒度，ω、f、i、Ω、u分別為 目標(biāo)在觀測時刻的軌道根數(shù)中近地點幅角、真近點角、軌道傾角、升交點赤經(jīng)和軌道角，且u =ω +f 〇
[0028] 優(yōu)選地，太陽板軸長度、第一仿真太陽板軸長度、第二仿真太陽板軸長度以及第三 仿真太陽板軸長度中提及的太陽板軸長度的確定方法為：
[0029] 獲取太陽板軸兩個端點在目標(biāo)本體坐標(biāo)系中的第一坐標(biāo)值；將第一坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成 雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的第二坐標(biāo)值；依據(jù)第二坐標(biāo)值確定太陽板軸長度；
[0030] 主體軸長度、第一仿真主體軸長度、第二仿真主體軸長度以及第三仿真主體軸長 度中提及的主體軸長度的確定方法為：
[0031 ] 獲取主體軸兩個端點在目標(biāo)本體坐標(biāo)系中的第三坐標(biāo)值；將第三坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成雷 達(dá)觀測坐標(biāo)系中的第四坐標(biāo)值；依據(jù)第四坐標(biāo)值確定太陽板軸長度。
[0032] 優(yōu)選地，步驟S2中所述目標(biāo)的觀測時刻偏航角Φ t滿足如下關(guān)系：
[0034] 式中，Φ c是觀測時刻ISAR圖像中目標(biāo)的主體軸與雷達(dá)觀測坐標(biāo)系Z軸之間的夾 角、是第一仿真ISAR圖像中目標(biāo)的主體軸與雷達(dá)觀測坐標(biāo)系Z軸之間的夾角；χα、ζα分 別為觀測時刻ISAR圖像中目標(biāo)主體軸上任一點在X軸和Ζ軸的坐標(biāo)值。
[0035] 優(yōu)選地，步驟S3中所述目標(biāo)的觀測時刻俯仰角Θ t滿足如下關(guān)系：
[0037] 式中，Γ zs是第二仿真ISAR圖像中目標(biāo)的主體軸長度。
[0038] 優(yōu)選地，步驟S4中所述目標(biāo)的觀測時刻滾動角約滿足如下關(guān)系：
[0040] 式中，1" TS是第三仿真ISAR圖像中目標(biāo)的太陽板軸長度。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法，包括：基于目標(biāo)的觀測時 亥|J ISAR圖像獲取目標(biāo)的軸向特征值，所述軸向特征值包括：太陽板軸長度、主體軸長度和 主體軸方向；在偏航角Φ、俯仰角Θ和滾動角f均為〇°條件下獲取目標(biāo)的第一仿真ISAR 圖像，確定第一仿真ISAR圖像中目標(biāo)的第一仿真主體軸方向；根據(jù)主體軸方向和第一仿真 主體軸方向之間的夾角確定目標(biāo)的觀測時刻偏航角$t;在Φ = Φ t、6* = p=〇°條件下獲 取目標(biāo)的第二仿真ISAR圖像，確定第二仿真ISAR圖像中目標(biāo)的第二仿真主體軸長度；根據(jù) 主體軸長度和第二仿真主體軸長度確定目標(biāo)的觀測時刻俯仰角9t;在Φ = Φ t、Θ = 9t、 p=()°條件下獲取目標(biāo)的第三仿真ISAR圖像，確定第三仿真ISAR圖像中目標(biāo)的第三仿真太 陽板軸長度；根據(jù)太陽板軸長度和第三仿真太陽板軸長度確定目標(biāo)的觀測時刻滾動角。本 發(fā)明不再局限于對空間目標(biāo)姿態(tài)的定性分析判斷，而是能夠得到關(guān)于空間目標(biāo)姿態(tài)的定量 值，可以比較準(zhǔn)確的反演出目標(biāo)在三個軸向上的偏航角、俯仰角和滾動角，從而能夠更加直 接的了解目標(biāo)在空中的運(yùn)動規(guī)律。
【附圖說明】
[0042] 通過以下參照附圖而提供的【具體實施方式】部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更加 容易理解，在附圖中：
[0043] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法的流程示意 圖；
[0044] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法的目標(biāo)的觀測 時刻ISAR圖像的不意圖；
[0045] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法的目標(biāo)的第一 仿真ISAR圖像的不意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實施方式的描 述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。
[0047] 本發(fā)明中的ISAR是Inverse Synthetic Aperture Radar，即逆合成孔徑雷達(dá)。偏 航角是指目標(biāo)的主體軸在當(dāng)?shù)厮矫娴耐队芭c目標(biāo)的軌道坐標(biāo)系的X軸的夾角；俯仰角是 指目標(biāo)的主體軸與主體軸在當(dāng)?shù)厮矫嫱队暗膴A角；滾動角是指目標(biāo)的太陽板軸與太陽板 軸在當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。
[0048] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的基于ISAR圖像的空間目標(biāo)姿態(tài)反演方法的流程示意圖。 在步驟S1中，首先基于目標(biāo)的觀測時刻ISAR圖像獲取目標(biāo)的軸向特征值。觀測時刻ISAR 圖像是指目標(biāo)在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的圖像。本發(fā)明提及的軸向特征值包括：太陽板軸長度 1TC、主體軸長度lzc和主體軸方向。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)的觀測時刻ISAR圖像的 示意圖，圖中，山、d2分別為目標(biāo)主體軸的兩個端點，d 3、d4分別為目標(biāo)太陽板軸的兩個端點， 點〇R為雷達(dá)觀測坐標(biāo)系的原點、0 Rxep為雷達(dá)觀測坐標(biāo)系的X軸、0 Rzep為雷達(dá)觀測坐標(biāo)系的 Z軸，目標(biāo)的太陽板軸與主體軸之間的交點d。（圖2中未示出）與點0R重合，Φ馮觀測時 亥lj ISAR圖像中目標(biāo)的主體軸與雷達(dá)觀測坐標(biāo)系Z軸之間的夾角。
[0049] 考慮到從單幅觀測時刻ISAR圖像所提取的軸向特征值容易產(chǎn)生誤差的情況，根 據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，步驟S1中獲取目標(biāo)的軸向特征值具體為：
[0050] 選取目標(biāo)在[t- Δ t, t+ Δ t]時間范圍內(nèi)的至少兩幅ISAR圖像；
[0051] 針對該至少兩幅ISAR圖像中的每一幅，獲取目標(biāo)的軸向特征信息；
[0052] 以該至少兩幅ISAR圖像的軸向特征信息的平均值作為目標(biāo)的軸向特征值；
[0053] 其中，t為觀測時刻，At為預(yù)設(shè)的時間范圍；軸向特征信息是指目標(biāo)的太陽板軸 長度值、主體軸長度值和主體軸指向。
[0054] 為了獲取目標(biāo)在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)坐標(biāo)值確定目標(biāo)太陽板軸和 主體軸的尺寸以及主體軸指向，步驟S1之前可以進(jìn)一步包括：
[0055] 建立地心坐標(biāo)系、軌道坐標(biāo)系和目標(biāo)本體坐標(biāo)系，通過軌道坐標(biāo)系將目標(biāo)主體軸 和太陽板軸在目標(biāo)本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系中；
[0056] 建