[发明专利]基于雷达长时间观测的天体目标转动估计与三维重建方法

说明书

本发明提出了一种基于混合广义瑞登傅里叶变换(HGRFT)的目标转动参数估计与三维重建方法，基于长时间积累，首先对天体绕转轴的自旋运动进行了建模，然后利用HGRFT对回波的能量实现相参与非相参联合的积累；当运动模型与目标真实运动吻合时，可以获得积累的峰值，并根据峰值在参数搜索空间中的位置快速并准确的估计目标的转轴、转速与散射点的高度；本发明方法还可以与启发式寻优方法相结合，进一步提升参数的搜索效率。

技术领域

本发明涉及基于雷达长时间观测的天体目标转动估计与三维重建方法，属于逆合成孔径雷达三维成像领域。

背景技术

逆合成孔径雷达(ISAR)可以对非合作目标进行全天时、全天候的成像。其中，三维ISAR可以对目标的三维结构进行重构，获取目标丰富的特征信息，具有广泛的应用前景。

三维ISAR成像方法可以分为两类，即干涉逆合成孔径雷达(InISAR)方法和单天线ISAR三维重构方法。其中，InISAR方法依赖于多基地或多通道系统，此方法可以在高度维上形成合成孔径，从而获得高度维的分辨率。但是，受到不同雷达或通道之间同步精度与相干性的影响，此方法需投入较高的硬件成本。单天线ISAR三维重构方法通过目标自身的运动获得高度维的合成孔径，此方法无需考虑天线阵列的布局，硬件复杂度较低。基于单天线的ISAR图像序列，通过分析目标三维结构在成像平面的投影方程，可以实现三维重建，但这仅限于运动已知的合作目标。此外，基于光学图像处理的三维重建理论，可以依据ISAR图像序列中特显点的航迹矩阵实现三维重建，但此方法需要预先对ISAR图像进行准确地定标。

近年来，深空探测成为了人们的研究热点。受到地基雷达数量的限制，基于InISAR的天体三维重建方法实用性较低。此外，由于天体距离远、双程衰减严重，回波的信噪比(SNR)极低，ISAR图像序列将受到噪声的严重干扰，难以实现精确的定标与三维重建。因此，目前现有的三维ISAR成像方法在天体观测中的实现具有一定的局限性。

发明内容

有鉴于此，针对低信噪比下天体目标三维ISAR成像难的问题，本发明提出一种基于雷达长时间观测的天体目标转动估计与三维重建方法，可以在低信噪比下实现天体目标的转轴、转速联合估计，同时实现天体目标的三维重建。

1、天体目标转动估计与三维重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、天体目标运动建模：

在以天体中心为原点的天体惯性坐标系O-XYZ下，天体中心坐标为[0,0,0]^T，设雷达的坐标为[x₀(t),y₀(t),z₀(t)]^T；

设天体在惯性坐标系下的转轴为单位向量的方向：

其中，a、b和c分别为单位向量在天体惯性坐标系的三个坐标轴的投影；γ为的方向与Z轴正方向的夹角；为惯性坐标系X轴与OM之间的夹角，OM为向量在惯性坐标系的XOY平面的投影；天体上的第p个散射点Q_p在以天体为中心的惯性坐标系下的初始直角坐标为[x_p0,y_p0,z_p0]^T，p＝1,2,…,P，P表示散射点个数；将上述以天体中心为原点的惯性直角坐标系转换为极坐标系，则第p个散射点Q_p对应的初始极坐标可以表示为[α_p,β_p,H_p]^T，其中，α_p为通过天体惯性坐标系Z轴和Q_p的半平面与天体惯性坐标系XOZ平面所构成的角；β_p为OQ_p与Z轴正方向的夹角；H_p为第p个散射点到原点的距离，即为待搜索的物理量；则第p个散射点对应的天体惯性坐标系下的直角坐标为：