CN114114267A - 一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法 - Google Patents

一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，包括：获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及回波数据；基于回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；利用位置测量信息构建瞬时雷达视线在轨道坐标系下的雷达视线矢量；基于该雷达视线矢量、自旋空间目标的三维模型以及运动规律，构建自旋空间目标在每个子孔径成像平面的投影图像的数学模型；基于数学模型，以最大化二维ISAR图像序列与投影图像序列的相似度为目标、并以自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数构建一目标函数；利用粒子群优化算法求解目标函数，得到姿态估计结果。本发明可以提供目标姿态估计的鲁棒性和执行效率。

Description

一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法。
背景技术
逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)成像技术是对空间目标进行观测的最有效的技术之一。它通过雷达向空间目标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的脉冲压缩和方位向的相干积累，从而得到空间目标的高分辨率二维ISAR图像。但是，通过上述方法得到的二维ISAR图像只是空间目标的三维结构在雷达成像平面的投影，无法直接反映空间目标的三维姿态，不利于后续实现空间目标的行为研判以及健康状态评估。因此，有必要利用二维ISAR图像实现空间目标的姿态反演，从而准确获取地空间目标的三维姿态。
现有技术中，基于二维ISAR图像实现空间目标姿态估计的方法通常基于二维ISAR图像序列来实现。其中，一类方法通过单/多站ISAR系统获取空间目标的连续观测数据，得到二维ISAR图像序列；基于这些图像序列，采用拉登(Radon)变换对空间目标上的线性结构进行特征的提取与关联；基于该线性结构在雷达成像面的投影关系以及空间目标的位置参数构造投影矩阵；最后，基于投影矩阵匹配观测到的二维ISAR图像序列，从而得到线性结构在空间中的指向信息。
现有技术中还有一类方法是基于空间目标的线性结构的特征差分投影实现姿态估计的。该法利用DP(Douglas-Peucker)算法来提取线性结构在二维ISAR图像中的投影，通过建立投影估计下的图像和真实ISAR成像图像之间的差分投影，将投影检测的绝对误差转化成相对误差，有效减小了线性结构投影的精度对姿态估计的影响。
此外，还有一种基于空间目标的关键点提取实现的目标姿态估计方法，该方法将深度学习技术应用于空间目标的二维ISAR图像特征提取中，通过深度神经网络从二维ISAR图像序列中提取关键点，进而实现姿态估计。
然而，上述方法均依赖于对线性结构或关键点特征的准确提取，一旦二维ISAR图像中的线性结构或者关键点存在遮挡，则无法实现目标姿态估计。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，包括：
获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及所述自旋空间目标的回波数据；
基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；
利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量；
基于所述轨道坐标系下的雷达视线矢量、所述自旋空间目标已知的三维模型以及所述自旋空间目标的运动规律，构建所述自旋空间目标在每个所述子孔径成像平面的投影图像的数学模型；
基于所述数学模型，以最大化所述二维ISAR图像序列与各个所述子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以所述数学模型中所使用的所述自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数；
利用粒子群优化算法求解所述目标函数，得到的最优解作为所述自旋空间目标的姿态估计结果。
可选地，所述运动姿态参数包括：
所述自旋空间目标的旋转角速度、所述自旋空间目标的转轴在所述轨道坐标系下的俯仰角和方位角，以及所述自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的旋转值；其中，所述本体三维坐标系与所述三维模型中所定义的三维坐标系相同。
可选地，所述位置测量信息包括：所述瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角；
所述利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量，包括：
根据所述瞬时雷达视线在所述雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角，构建所述瞬时雷达视线在所述雷达测量坐标系下的雷达视线矢量；
将所述雷达测量坐标系下的雷达视线矢量与一变换矩阵相乘，得到所述瞬时雷达视线在所述轨道坐标系下的雷达视线矢量；
其中，所述变换矩阵是以地心惯性坐标系为中转基准、实现从所述雷达测量坐标系到所述轨道坐标系的转换的矩阵。
可选地，在构建所述数学模型的过程中，所述自旋空间目标上的任一散射点表示为：
Figure 319088DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 767387DEST_PATH_IMAGE002
表示该散射点，
Figure 327550DEST_PATH_IMAGE003
为雷达的方位慢时间，
Figure 253918DEST_PATH_IMAGE004
为该散射点在所述本体三维坐标系下的坐标，n为该散射点的编号；
Figure 599449DEST_PATH_IMAGE005
为所述自旋空间目标的初始姿态旋转矩阵，
Figure 687490DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 236414DEST_PATH_IMAGE007
以及
Figure 966473DEST_PATH_IMAGE008
分别为所述自旋空间目标绕所述轨道坐标系的三个坐标轴的旋转量；
Figure 900931DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 425453DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 445362DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 965729DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 20273DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 715697DEST_PATH_IMAGE014
分别为所述自旋空间目标绕所述本体三维坐标系的三个坐标轴的俯仰角、滚动角以及偏航角；
Figure 488481DEST_PATH_IMAGE015
为所述自旋空间目标的运动旋转矩阵，
Figure 29183DEST_PATH_IMAGE016
表示所述自旋空间目标的旋转角速度，
Figure 954545DEST_PATH_IMAGE017
为单位矩阵，
Figure 555291DEST_PATH_IMAGE018
的下标r表示旋转的含义；
Figure 815371DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 425344DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 188900DEST_PATH_IMAGE021
分别为所述自旋空间目标的转轴在所述轨道坐标系下的俯仰角和方位角。
可选地，所述数学模型的构建方式，包括：
根据自旋空间目标的散射点到雷达的距离在所述轨道坐标系下的瞬时雷达视线上的投影的第一表达式，以及散射点的瞬时多普勒频率的第二表达式，构建散射点到二维ISAR成像平面的投影矩阵；
根据所述投影矩阵、所述初始姿态旋转矩阵以及散射点在所述本体三维坐标系下的坐标，构建散射点在二维ISAR成像平面的投影点的第三表达式；
构建与二维ISAR图像同等大小的矩阵模型，并定义所述矩阵模型中对应有投影点的像素值为A、未对应有投影点的像素值为0，以及定义所述矩阵模型中的像素是否对应有投影点由所述第三表达式确定，得到投影图像的数学模型；其中，A为预设的非0像素值；
所述第一表达式为：
Figure 740973DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 957191DEST_PATH_IMAGE023
表示第n个散射点到雷达的距离在第k个所述子孔径成像平面距离向的投影，
Figure 370855DEST_PATH_IMAGE024
表示在
Figure 988918DEST_PATH_IMAGE025
时刻的所述运动旋转矩阵，
Figure 462625DEST_PATH_IMAGE026
表示在
Figure 166138DEST_PATH_IMAGE025
时刻的所述轨道坐标系下的雷达视线，
Figure 868646DEST_PATH_IMAGE027
表示第k个子孔径的回波数据的测量中间时刻，上标符号T表示矩阵转置；
所述第二表达式为：
Figure 606795DEST_PATH_IMAGE028
；
其中，
Figure 251403DEST_PATH_IMAGE029
为求导符号，
Figure 973372DEST_PATH_IMAGE030
为雷达工作波长，
Figure 523912DEST_PATH_IMAGE031
表示第n个散射点在
Figure 647726DEST_PATH_IMAGE027
时刻的瞬时多普勒频率；
所述投影矩阵为
Figure 745126DEST_PATH_IMAGE032
；其中，
Figure 734817DEST_PATH_IMAGE033
等于所述第二表达式中的
Figure 825133DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 819765DEST_PATH_IMAGE035
等于所述第一表达式中的
Figure 71754DEST_PATH_IMAGE036
；
所述第三表达式为：
Figure 286091DEST_PATH_IMAGE037
；
其中，
Figure 914519DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 294816DEST_PATH_IMAGE039
分别为二维ISAR图像的距离分辨单元和方位分辨单元，
Figure 983286DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 416410DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
可选地，所述目标函数为：
Figure 379687DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 348911DEST_PATH_IMAGE043
表示所述二维ISAR图像序列中的第k张二维ISAR图像，
Figure 991639DEST_PATH_IMAGE044
表示在第k个所述子孔径成像平面的投影图像，
Figure 662791DEST_PATH_IMAGE045
为像素点编号，K为子孔径成像平面的总数，
Figure 914912DEST_PATH_IMAGE046
表示所述求解参数，
Figure 502757DEST_PATH_IMAGE047
表示所述最优解，
Figure 533030DEST_PATH_IMAGE048
等于所述二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 442211DEST_PATH_IMAGE049
等于所述二维ISAR图像的方位向像素点数。
可选地，在构建所述目标函数之前，所述方法还包括：
对所述二维ISAR图像序列中的二维ISAR图像进行图像预处理，以降低二维ISAR图像间的能量差距。
可选地，所述基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列，包括：
利用雷达发射信号构造脉冲压缩参考信号，并利用所述脉冲压缩参考信号对所述回波数据进行脉冲压缩处理；
将脉冲压缩处理后的回波数据划分为K组大小为
Figure 216132DEST_PATH_IMAGE050
的子孔径回波数据；其中，
Figure 661414DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 128167DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR成像图像的方位向像素点数；K为子孔径成像平面的总数；
对各组所述子孔径回波数据进行平动补偿，得到二维ISAR图像序列。
本发明还提供了一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计装置，包括：
信息与数据获取模块，用于获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及所述自旋空间目标的回波数据；
ISAR成像模块，用于基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；
第一构建模块，用于利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量；
第二构建模块，用于基于所述轨道坐标系下的雷达视线矢量、所述自旋空间目标已知的三维模型以及所述自旋空间目标的运动规律，构建所述自旋空间目标在每个所述子孔径成像平面的投影图像的数学模型；
第三构建模块，用于基于所述数学模型，以最大化所述二维ISAR图像序列与各个子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以所述数学模型中所使用的所述自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数；
姿态估计模块，用于利用粒子群优化算法求解所述目标函数，得到的最优解即为所述自旋空间目标的姿态估计结果。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的任一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法所述的方法步骤。
本发明提供的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法中，基于雷达实际获取的自旋空间目标的位置测量信息构建了目标侧的轨道坐标系下的雷达视线矢量；并基于该雷达视线矢量以及自旋空间目标已知的三维模型以及所述自旋空间目标的运动规律，构建出自旋空间目标在子孔径成像平面的投影图像的数学模型。然后，基于该数学模型构建，以最大化二维ISAR图像序列与投影图像为目标构建了目标函数，该目标函数的求解参数即是自旋空间目标的运动姿态参数。这样，利用粒子群优化算法求解目标函数，得到的最优解即是自旋空间目标的姿态估计结果。
综上可见，本发明中数学模型所代表的投影图像是可以反应自旋空间目标的整体特征的图像，由此使得本发明无需从二维ISAR图像序列中提取关键部件/关键点的特征便可以实现目标姿态估计；这样即使在雷达观测的自旋空间目标被部分遮挡时，本发明仍然能够进行目标姿态估计，具有较高的鲁棒性。并且，由于本发明避免了传统目标姿态估计中繁琐的关键部件/关键点的特征提取操作，使得本发明提供的目标姿态估计方法的执行过程更加简洁和高效。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中涉及的三种坐标系在空间中的关系示意图；
图3为一个示例性的自旋空间目标的点模型示意图；
图4为图3中的点模型在雷达的第1个子孔径成像平面的二维ISAR图像；
图5为图3中的点模型在雷达的第15个子孔径成像平面的二维ISAR图像；
图6为图3中的点模型在雷达的第42个子孔径成像平面的二维ISAR图像；
图7为图3中的点模型在第1个子孔径的投影图像和二维ISAR图像的对比图；
图8为图3中的点模型在第15个子孔径的投影图像和二维ISAR图像的对比图；
图9为图3中的点模型在第42个子孔径的投影图像和二维ISAR图像的对比图；
图10是本发明实施例提供的一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计装置的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了提高对于自旋空间目标的姿态估计的鲁棒性，从而在雷达观测的自旋空间目标被部分遮挡时仍然能够进行目标姿态估计，本发明实施例提供了一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，该方法可以应用于逆合成孔径雷达(以下简称雷达)中。参见图1所示，该方法包括以下步骤：
S10：获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及自旋空间目标的回波数据。
其中，自旋空间目标例如是失稳的卫星、或者正在进行姿态调整中的卫星等三维结构可知、且在空间中自旋运动的空间目标。
位置测量信息指的是雷达所能够直接测量到的、表征自旋空间目标的位置信息的数据；这些数据包括雷达的瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角，此外还可以包括雷达与自旋空间目标的瞬时距离。本发明实施例中获取的位置测量信息主要是瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角。
可以理解的是，逆合成孔径雷达属于脉冲体制雷达，这种雷达的工作原理是向观测目标发射连续的脉冲，进而通过接收回波信号并对回波信号进行采集形成回波数据，从而基于回波数据实现雷达观测。本发明实施例中自旋空间目标的回波数据便是这样获取到的，实际中可获取自旋空间目标的长时间、大角度的连续回波数据。
S20：基于回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列。
该步骤的具体实现方式与现有的ISAR成像方式相同，都是采用距离多普勒成像算法实现ISAR成像的。具体的成像过程可以参见如下：
(1) 利用雷达发射信号构造脉冲压缩参考信号，并利用该脉冲压缩参考信号对回波数据进行脉冲压缩处理。
具体操作是根据雷达发射脉冲信号的调制形式，设计参考信号，并进行匹配滤波或者解线调频。脉冲压缩是现有技术中常见的提高距离向分辨率的手段，故此处不再进行赘述。
(2)将脉冲压缩处理后的回波数据划分为K组大小为
Figure 524644DEST_PATH_IMAGE050
的子孔径回波数据。
其中，
Figure 836677DEST_PATH_IMAGE048
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，且
Figure 399114DEST_PATH_IMAGE040
与雷达在单个CPI(CyclesPer Instruction，相参处理时间)内发送的脉冲数量相等，
Figure 787501DEST_PATH_IMAGE049
等于二维ISAR图像的方位向像素点数，且
Figure 654963DEST_PATH_IMAGE049
等于雷达的脉冲积累次数；K等于雷达子孔径总数。
(3)对各组子孔径回波数据进行平动补偿，得到二维ISAR图像序列。
本领域技术人员均知晓的是，平动补偿包括包络对齐以及相位校正两方面，且经平动补偿后便可以实现成像。
其中，包络对齐可以采用相邻相关法实现，即利用相邻的子孔径回波数据间像素分布的相关性实现包络对齐。同时，还可以采用迭代方式实现更好的包络对齐。具体而言，在采用相邻相关法将第
Figure 770687DEST_PATH_IMAGE051
-1组子孔径回波数据与第
Figure 913262DEST_PATH_IMAGE052
组子孔径回波数据实现包络对齐时，计算先前
Figure 456239DEST_PATH_IMAGE051
组所有子孔径回波数据之和，并计算该和与第
Figure 827309DEST_PATH_IMAGE052
+1组子孔径回波数据的互相关函数，从而以相关性最高的像素点为标准将第
Figure 995991DEST_PATH_IMAGE053
组子孔径回波数据进行包络对齐。由此，通过执行包络对齐操作，可以消除自旋空间目标的平动所带来的包络偏移，解决包络漂移和突跳误差。
完成包络对齐之后，再对每组子孔径回波数据分别采用多特显点算法进行初相校正，以消除不同的子孔径回波数据的初始相位的影响，实现方位聚焦成像，此时便获得了每组子孔径回波数据对应的高分辨的二维ISAR图像。其中，多特显点算法的执行过程是现有成熟技术，本发明实施例不再进行赘述。
S30：利用位置测量信息构建瞬时雷达视线在自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量。
具体而言，该步骤S30包括下述的多个子步骤：
(1)根据瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角，构建瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的雷达视线矢量。
该步骤(1)的实现过程可以用如下公式进行表示：
Figure 752594DEST_PATH_IMAGE054
；
其中，
Figure 217205DEST_PATH_IMAGE003
为雷达的方位慢时间，
Figure 324838DEST_PATH_IMAGE055
表示瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角，
Figure 34561DEST_PATH_IMAGE056
表示瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的方位角；
Figure 645671DEST_PATH_IMAGE057
表示瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的雷达视线矢量，其上标r表示的是雷达(radar)的含义。
(2)将雷达测量坐标系下的雷达视线矢量与一变换矩阵相乘，得到瞬时雷达视线在轨道坐标系下的雷达视线矢量。
其中，变换矩阵是以地心惯性坐标系为中转基准、实现从雷达测量坐标系到轨道坐标系的转换的矩阵。图2示出了这三种坐标系在空间上的关系。
轨道坐标系也常被称为轨道面坐标系或者质心轨道坐标系。参见图2所示，在轨道坐标系中，坐标轴
Figure 546762DEST_PATH_IMAGE058
指向地心方向，
Figure 876113DEST_PATH_IMAGE058
与空间目标的运动方向所形成的平面称作轨道平面，坐标轴
Figure 652176DEST_PATH_IMAGE059
在轨道平面内且指向空间目标的运动方向，坐标轴
Figure 117793DEST_PATH_IMAGE060
的方向通过右手准则确定。
在地心惯性坐标系
Figure 189785DEST_PATH_IMAGE061
中，
Figure 6431DEST_PATH_IMAGE062
代表地心，坐标轴
Figure 57957DEST_PATH_IMAGE063
位于赤道平面内，且指向历元时刻的太阳春分点位置，坐标轴
Figure 643660DEST_PATH_IMAGE064
指向历元时刻地球北极的平均位置处，坐标轴
Figure 886553DEST_PATH_IMAGE065
由右手准则确定。
在雷达测量坐标系
Figure 924916DEST_PATH_IMAGE066
中，
Figure 777204DEST_PATH_IMAGE067
表示雷达站位置，
Figure 482991DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure 631207DEST_PATH_IMAGE069
在水平面内且
Figure 422446DEST_PATH_IMAGE068
指向正东，
Figure 815774DEST_PATH_IMAGE069
指向正北，
Figure 376069DEST_PATH_IMAGE070
由右手准则确定。
该步骤(2)的实现过程可以用如下公式进行表示：
Figure 695186DEST_PATH_IMAGE071
。
其中，
Figure 973720DEST_PATH_IMAGE072
为上述的变换矩阵，
Figure 167810DEST_PATH_IMAGE073
为瞬时雷达视线在轨道坐标系下的雷达视线矢量；
Figure 848190DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 603788DEST_PATH_IMAGE075
分别为瞬时雷达视线在轨道坐标系下的俯仰角和方位角。
S40：基于轨道坐标系下的雷达视线矢量、自旋空间目标已知的三维模型以及自旋空间目标的运动规律，构建自旋空间目标在每个子孔径成像平面的投影图像的数学模型。
其中，自旋空间目标的三维模型由于可以预先构建好，所以是已知的。自旋空间目标的运动规律即在绕地球进行转动的同时，还绕自身的一个转轴在进行旋转。其中，绕地球进行转动所导致的方位变化根据雷达视线矢量便可以获悉，因此对自旋空间目标进行姿态估计主要是要确定自旋空间目标相对于雷达来说是以一种什么样的姿态在进行旋转。因此，在构建该数学模型的过程中，将自旋空间目标的旋转特性考虑在内就显得尤为重要。在此考虑的基础上，本发明实施例在构建该数学模型的过程中，将自旋空间目标上的任一散射点表示为：
Figure 104039DEST_PATH_IMAGE001
。
其中，
Figure 585310DEST_PATH_IMAGE002
表示该散射点，
Figure 854617DEST_PATH_IMAGE003
为雷达的方位慢时间，
Figure 499225DEST_PATH_IMAGE004
为该散射点在自旋空间目标的本体三维坐标系下的坐标，n为该散射点的编号；该本体三维坐标系与自旋空间目标的三维模型中所定义的三维坐标系相同。
Figure 237505DEST_PATH_IMAGE076
为自旋空间目标的初始姿态旋转矩阵，
Figure 258551DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 631632DEST_PATH_IMAGE007
以及
Figure 712721DEST_PATH_IMAGE008
分别为自旋空间目标绕轨道坐标系的三个坐标轴的旋转量。
Figure 938297DEST_PATH_IMAGE077
，
Figure 497454DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 475774DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 245540DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 942101DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 55682DEST_PATH_IMAGE014
分别为自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的俯仰角、滚动角以及偏航角。这三个角即是自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的旋转值。
Figure 154088DEST_PATH_IMAGE015
为自旋空间目标的运动旋转矩阵，该矩阵是根据罗德里格旋转公式得来的，
Figure 576979DEST_PATH_IMAGE016
表示自旋空间目标的旋转角速度，
Figure 10103DEST_PATH_IMAGE017
为单位矩阵，
Figure 176642DEST_PATH_IMAGE018
的下标r表示旋转的含义。
Figure 880287DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 474079DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 879653DEST_PATH_IMAGE021
分别为自旋空间目标的转轴在轨道坐标系下的俯仰角和方位角。自旋空间目标在轨道面坐标系下进行自旋的转轴的单位矢量可以记为：
Figure 367660DEST_PATH_IMAGE078
。
从上述对散射点的定义可以看到，
Figure 456969DEST_PATH_IMAGE016
表示了自旋空间目标的旋转角速度，
Figure 221663DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 160538DEST_PATH_IMAGE021
可以对自旋空间目标的任一散射点在目标自身的轨道坐标系下进行定位，而
Figure 403301DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 347117DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 282712DEST_PATH_IMAGE014
则可以对自旋空间目标的任一散射点在目标的本体三维坐标系下进行定位；在可以对所有散射点进行定位的基础上，自旋空间目标的姿态便是确定的。因此，在构建数学模型时，可以将
Figure 662878DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 758266DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 556589DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 663085DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 310973DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 426697DEST_PATH_IMAGE014
作为自旋空间目标的运动姿态参数参与到模型构建中。
另外，有些情况下自旋空间目标的本体三维坐标系和轨道坐标系可以相同，此时自旋空间目标的运动姿态参数可以包括
Figure 63214DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 91344DEST_PATH_IMAGE020
以及
Figure 446102DEST_PATH_IMAGE021
三个参数，或者可以包括
Figure 340416DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 565861DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 14160DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 606946DEST_PATH_IMAGE014
四个参数。
在上述散射点的定义的基础上，构建数学模型的具体过程如下：
(1)根据自旋空间目标的散射点到雷达的距离在轨道坐标系下的瞬时雷达视线上的投影的第一表达式，以及散射点的瞬时多普勒频率的第二表达式，构建散射点到二维ISAR成像平面的投影矩阵。
具体的，对于任一散射点而言，该散射点到雷达的距离可以表示为
Figure 64472DEST_PATH_IMAGE079
Figure 144424DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 278471DEST_PATH_IMAGE080
为雷达在轨道坐标系下的坐标，它可以利用下面的计算式进行计算，但并不是必须要计算的，具体原因后续会进行说明。
Figure 342242DEST_PATH_IMAGE081
。
其中，
Figure 823033DEST_PATH_IMAGE082
即是雷达可以直接测得的与自旋空间目标的瞬时距离，
Figure 288649DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure 344330DEST_PATH_IMAGE075
在上文中已经说明过，分别为瞬时雷达视线在轨道坐标系下的俯仰角和方位角。
将散射点到雷达的距离在瞬时雷达视线上进行投影，该投影表示为
Figure 413173DEST_PATH_IMAGE083
。对该式子进行化简得到
Figure 946923DEST_PATH_IMAGE084
。其中，
Figure 17778DEST_PATH_IMAGE085
项是目标相对于雷达平动产生的平动分量，在二维ISAR图像序列的成像过程中会进行平动补偿，所以为了与ISAR成像保持一致，上述
Figure 244360DEST_PATH_IMAGE086
项可以忽略不计。由此，散射点到雷达的距离在轨道坐标系下的瞬时雷达视线上的投影可以表示为：
Figure 17144DEST_PATH_IMAGE087
。
相应的，利用
Figure 869431DEST_PATH_IMAGE088
计算散射点的瞬时多普勒频率
Figure 44061DEST_PATH_IMAGE089
：
Figure 192277DEST_PATH_IMAGE090
对于雷达的每个子孔径而言，均对应一段T=[t 0，t i ]的时长内测量到的回波数据。其中，该段时长的中间时刻为该子孔径的回波数据的测量中间时刻。对于雷达的第k∈[1，K]个子孔径而言，该测量中间时刻记为t k 。自旋空间目标在第k个子孔径成像平面的投影取t k 时刻的数据。由此，
Figure 717936DEST_PATH_IMAGE091
在t k 时刻的表达式(即第一表达式)，以及
Figure 376844DEST_PATH_IMAGE092
在t k 时刻的表达式(即第二表达式)参见如下：
第一表达式：
Figure 671559DEST_PATH_IMAGE022
；
该第一表达式中，
Figure 974364DEST_PATH_IMAGE093
表示第n个散射点到雷达的距离在第k个子孔径成像平面距离向的投影，
Figure 738052DEST_PATH_IMAGE024
表示在
Figure 417295DEST_PATH_IMAGE025
时刻的运动旋转矩阵，
Figure 566517DEST_PATH_IMAGE026
表示在
Figure 289491DEST_PATH_IMAGE025
时刻的轨道坐标系下的雷达视线，
Figure 789742DEST_PATH_IMAGE027
表示第k个子孔径的回波数据的测量中间时刻，上标符号T表示矩阵转置。
第二表达式：
Figure 23409DEST_PATH_IMAGE028
。
其中，
Figure 27137DEST_PATH_IMAGE029
为求导符号，
Figure 937324DEST_PATH_IMAGE030
为雷达工作波长，
Figure 911490DEST_PATH_IMAGE031
表示第n个散射点在
Figure 932535DEST_PATH_IMAGE027
时刻的瞬时多普勒频率。
然后，建立散射点到二维ISAR成像平面的投影矩阵
Figure 807081DEST_PATH_IMAGE032
。
其中，
Figure 888170DEST_PATH_IMAGE094
等于第二表达式中
Figure 831855DEST_PATH_IMAGE034
，表示散射点向二维ISAR成像平面的横向多普勒投影向量；
Figure 905859DEST_PATH_IMAGE035
等于第一表达式中的
Figure 149759DEST_PATH_IMAGE036
，表示散射点向二维ISAR成像平面的纵向距离投影向量。
(2)根据投影矩阵、初始姿态旋转矩阵以及散射点在本体三维坐标系下的坐标，构建散射点在二维ISAR成像平面的投影点的第三表达式。
该第三表达式为：
Figure 152481DEST_PATH_IMAGE037
。
其中，
Figure 849042DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 211890DEST_PATH_IMAGE039
分别为二维ISAR图像的距离分辨单元和方位分辨单元，
Figure 308633DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 731524DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
(3) 构建与二维ISAR图像同等大小的矩阵模型，并定义该矩阵模型中对应有投影点的像素值为A、未对应有投影点的像素值为0，以及定义该矩阵模型中的像素是否对应有投影点由第三表达式确定，得到投影图像的数学模型。
其中，A为预设的非0像素值；例如A可以为255，当然并不局限于此。
S50：基于数学模型，以最大化二维ISAR图像序列与各个子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以数学模型中所使用的自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数。
可以理解的是，二维ISAR图像和投影图像均为矩阵图像，度量矩阵相似性的方法存在多种，相应的度量两组矩阵之间的相似性的方法也存在多种。因此，该步骤S50标函数的具体表现形式可以存在多种。例如，其中的一种目标函数可以表示如下：
Figure 384222DEST_PATH_IMAGE042
。
其中，
Figure 301493DEST_PATH_IMAGE043
表示二维ISAR图像序列中的第k张二维ISAR图像，
Figure 254406DEST_PATH_IMAGE044
表示在第k个子孔径成像平面的投影图像，
Figure 582619DEST_PATH_IMAGE045
为像素点编号，K为子孔径成像平面的总数，
Figure 237460DEST_PATH_IMAGE046
表示求解参数，
Figure 942111DEST_PATH_IMAGE047
表示最优解，
Figure 483951DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 999377DEST_PATH_IMAGE049
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
可以理解的是，若自旋空间目标的本体三维坐标系与其轨道坐标系不同，则
Figure 892247DEST_PATH_IMAGE095
。而若是自旋空间目标的本体三维坐标系与其轨道坐标系相同，则
Figure 400588DEST_PATH_IMAGE096
或
Figure 314711DEST_PATH_IMAGE097
。
在一种可选实现方式中，在构建目标函数之前，还可以对二维ISAR图像序列中的二维ISAR图像进行图像预处理，以降低二维ISAR图像间的能量差距。然后，用预处理后的二维ISAR图像序列参与目标函数的构建。
具体而言，给二维ISAR图像加汉明窗、取模、归一化图像之后取对数，便完成对二维ISAR图像的预处理。
S60：利用粒子群优化算法求解目标函数，得到的最优解作为自旋空间目标的姿态估计结果。
可以理解的是，在利用粒子群优化算法求解目标函数的过程中，求解参数
Figure 250306DEST_PATH_IMAGE046
将被定义为粒子的位置，二维ISAR图像序列与各个子孔径成像平面的投影图像的相似度将被定义为粒子的适应度。
下面以一个具体的示例为例，对利用粒子群优化算法求解目标函数的求解进行举例说明，该示例中，
Figure 99313DEST_PATH_IMAGE095
，目标函数为上文中举例的目标函数。求解过程参见如下：
步骤一、初始化步骤：
(1)初始化粒子总数
Figure 896499DEST_PATH_IMAGE098
、最大迭代次数
Figure 678510DEST_PATH_IMAGE099
以及迭代次数
Figure 519427DEST_PATH_IMAGE100
。
(2)初始化每个粒子的初始位置为：
Figure 855731DEST_PATH_IMAGE101
。
(3)初始化每个粒子的局部最优位置为：
Figure 955143DEST_PATH_IMAGE102
。
(4)初始化每个粒子的局部最优适应度
Figure 326081DEST_PATH_IMAGE103
，计算方式如下：
Figure 603479DEST_PATH_IMAGE104
。
(5)初始化全局最优位置及全局最优适应度：
将具有最大局部最优适应度的粒子的位置作为全局最优位置，即
Figure 443390DEST_PATH_IMAGE105
，并将该粒子的局部最优适应度作为全局最优适应度
Figure 831646DEST_PATH_IMAGE106
。
(7)初始化每个粒子飞行速度为
Figure 588249DEST_PATH_IMAGE107
，并初始化粒子的最大飞翔速度为
Figure 23166DEST_PATH_IMAGE108
，以及粒子的最大飞翔范围为
Figure 599641DEST_PATH_IMAGE109
。
步骤二、更新步骤：
(1)更新每个粒子的飞行速度，更新公式如下：
Figure 791588DEST_PATH_IMAGE110
。
其中，
Figure 887851DEST_PATH_IMAGE111
为非负的惯性权值参数，
Figure 507051DEST_PATH_IMAGE112
和
Figure 570822DEST_PATH_IMAGE113
分别是正的加速度常数，
Figure 550148DEST_PATH_IMAGE114
和
Figure 15765DEST_PATH_IMAGE115
分别为服从
Figure 805866DEST_PATH_IMAGE116
之间均匀分布的随机数。
(2)更新每个粒子的位置，更新公式为：
Figure 842087DEST_PATH_IMAGE117
。
(3)更新每个粒子的适应度，更新公式如下：
Figure 641415DEST_PATH_IMAGE118
。
(4)更新每个粒子的局部最优适应度，更新方式如下：
判断粒子刚更新的适应度是否大于当前粒子的局部最优适应度；
若是，则将粒子刚更新的适应度作为粒子的局部最优适应度，然后进入步骤三；
若否，直接进入步骤三。
步骤三、搜索步骤：
(1)搜索局部最优适应度最大的粒子。
(2)判断所找出的最大的局部最优适应度是否大于当前的全局最优适应度；
若大于，将所找出的最大的局部最优适应度作为全局最优适应度，并将具有该全局最优适应度的粒子的位置作为全局最优位置，然后进入步骤四；
若不大于，直接进入步骤(四)。
步骤四、判断步骤：
更新迭代次数，并判断迭代次数是否达到上限；
若达到上限，将当前的全局最优位置作为最优解
Figure 961538DEST_PATH_IMAGE047
进行输出；
若未达到上限，返回步骤(二)。
综上可见，本发明实施例基于雷达实际获取的自旋空间目标的位置测量信息构建了目标侧轨道坐标系下的雷达视线矢量；并基于该雷达视线矢量以及自旋空间目标已知的三维模型以及运动规律，构建出自旋空间目标在子孔径成像平面的投影图像的数学模型。然后，基于该数学模型构建，以最大化二维ISAR图像序列与投影图像为目标构建了目标函数，该目标函数的求解参数即是自旋空间目标的运动姿态参数。这样，利用粒子群优化算法求解目标函数，得到的最优解即是自旋空间目标的姿态估计结果。
由于本发明实施例中数学模型所代表的投影图像是可以反应自旋空间目标的整体特征的图像，由此使得本发明实施例无需从二维ISAR图像序列中提取关键部件/关键点的特征便可以实现目标姿态估计；这样即使在雷达观测的自旋空间目标被部分遮挡时，本发明实施例仍然能够进行目标姿态估计，具有较高的鲁棒性。并且，由于本发明实施例避免了传统目标姿态估计中繁琐的关键部件/关键点的特征提取操作，使得本发明实施例提供的目标姿态估计方法的执行过程更加简洁和高效。
下面通过仿真成像实验进一步说明本发明实施例的准确性和有效性。
(1)仿真条件：
自旋空间目标为如图3所示的24个点组成的小卫星模型，该模型以0.0524rad/s(弧/秒)的转速绕转轴逆时针旋转，转轴在轨道坐标系的俯仰角和方位角分别为130度和120度，初始姿态为：滚动角
Figure 909159DEST_PATH_IMAGE119
，俯仰角
Figure 947522DEST_PATH_IMAGE120
和偏航角
Figure 284963DEST_PATH_IMAGE121
，即自旋空间目标的运动姿态参数为：
Figure 944745DEST_PATH_IMAGE122
。
(2)仿真实验内容及结果分析:
基于自旋空间目标的长时间、大角度的回波数据进行成像，得到其高分辨的二维ISAR图像序列。其中，在第1个子孔径成像的二维ISAR图像如图4所示，在第15个子孔径成像的二维ISAR图像如图5所示，在第42个子孔径成像的二维ISAR图像如图6所示。
然后，基于与回波数据同步获得的自旋空间目标的位置测量信息构建轨道坐标系下的雷达视线矢量，然后相应构建自旋空间目标在子孔径成像平面的投影图像的数学模型，以及构建目标函数。利用粒子群优化算法求解该目标函数，得到的自旋空间目标的姿态估计结果与真实值的对比情况如表1所示：
表1
参数
Figure 342229DEST_PATH_IMAGE016
(rad/s)		 角
Figure 336729DEST_PATH_IMAGE123
(o)
Figure 727128DEST_PATH_IMAGE021
(o)
Figure 756264DEST_PATH_IMAGE124
(o)
Figure 324649DEST_PATH_IMAGE125
(o)
Figure 557178DEST_PATH_IMAGE126
(o)
真实值 -0.0524 130 120 0 0 0
估计值 -0.0526 130.0486 120.2712 0.0096 -0.0751 0.1855
误差 0.0002 0.0486 0.2712 0.0096 0.0751 0.1855
将表1中的估计值代入投影图像的数学模型中，可以得到与二维ISAR图像序列一一对应的投影图像序列。对比该投影图像序列与二维ISAR图像序列的相似性发现，两组图像序列的平均相似度能够达到91.44%。例如，在第1个子孔径的投影图像如图7中所示的第1帧投影图像，在第1个子孔径的二维ISAR图像如图7中所示的第1帧ISAR图像；在第15个子孔径的投影图像如图8中所示的第15帧投影图像，在第15个子孔径的二维ISAR图像如图8中所示的第15帧ISAR图像；在第42个子孔径的投影图像如图9中所示的第42帧投影图像，在第42个子孔径的二维ISAR图像如图9中所示的第42帧ISAR图像。
综上可见，本发明实施例提供的目标姿态估计方法能够对自旋空间目标的姿态估计进行准确的估计，具有较高的鲁棒性，且执行效率高。
本发明实施例提供的方法可以应用于电子设备。具体的，该电子设备可以为：计算机、雷达等，在此不作限定，任何可以实现本发明的电子设备，均属于本发明的保护范围。
相应于上述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，本发明实施例还提供了一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计装置，参见图10所示，该装置包括：
信息与数据获取模块101，用于获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及自旋空间目标的回波数据；
ISAR成像模块102，用于基于回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；
第一构建模块103，用于利用位置测量信息构建瞬时雷达视线在自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量；
第二构建模块104，用于基于轨道坐标系下的雷达视线矢量、自旋空间目标已知的三维模型以及自旋空间目标的运动规律，构建自旋空间目标在每个子孔径成像平面的投影图像的数学模型；
第三构建模块105，用于基于数学模型，以最大化二维ISAR图像序列与各个子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以数学模型中所使用的自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数；
姿态估计模块106，用于利用粒子群优化算法求解目标函数，得到的最优解即为自旋空间目标的姿态估计结果。
可选地，运动姿态参数包括：
自旋空间目标的旋转角速度、自旋空间目标的转轴在轨道坐标系下的俯仰角和方位角，以及自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的旋转值；其中，本体三维坐标系与三维模型中所定义的三维坐标系相同。
可选地，位置测量信息包括：瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角；
第一构建模块103，具体用于：
根据瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角，构建瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的雷达视线矢量；
将雷达测量坐标系下的雷达视线矢量与一变换矩阵相乘，得到瞬时雷达视线在轨道坐标系下的雷达视线矢量；
其中，变换矩阵是以地心惯性坐标系为中转基准、实现从雷达测量坐标系到轨道坐标系的转换的矩阵。
可选地，在构建数学模型的过程中，自旋空间目标上的任一散射点表示为：
Figure 236421DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 120063DEST_PATH_IMAGE002
表示该散射点，
Figure 99828DEST_PATH_IMAGE003
为雷达的方位慢时间，
Figure 68921DEST_PATH_IMAGE004
为该散射点在本体三维坐标系下的坐标，n为该散射点的编号；
Figure 551855DEST_PATH_IMAGE005
为自旋空间目标的初始姿态旋转矩阵，
Figure 40736DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 950923DEST_PATH_IMAGE007
以及
Figure 407312DEST_PATH_IMAGE008
分别为自旋空间目标绕轨道坐标系的三个坐标轴的旋转量；
Figure 677626DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 535860DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 85790DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 295055DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 604944DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 583265DEST_PATH_IMAGE014
分别为自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的俯仰角、滚动角以及偏航角；
Figure 569675DEST_PATH_IMAGE015
为自旋空间目标的运动旋转矩阵，
Figure 252854DEST_PATH_IMAGE016
表示自旋空间目标的旋转角速度，
Figure 615702DEST_PATH_IMAGE017
为单位矩阵，
Figure 448529DEST_PATH_IMAGE018
的下标r表示旋转的含义；
Figure 356573DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 274851DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 441390DEST_PATH_IMAGE021
分别为自旋空间目标的转轴在轨道坐标系下的俯仰角和方位角。
可选地，数学模型的构建方式，包括：
根据自旋空间目标的散射点到雷达的距离在轨道坐标系下的瞬时雷达视线上的投影的第一表达式，以及散射点的瞬时多普勒频率的第二表达式，构建散射点到二维ISAR成像平面的投影矩阵；
根据投影矩阵、初始姿态旋转矩阵以及散射点在本体三维坐标系下的坐标，构建散射点在二维ISAR成像平面的投影点的第三表达式；
构建与二维ISAR图像同等大小的矩阵模型，并定义矩阵模型中对应有投影点的像素值为A、未对应有投影点的像素值为0，以及定义矩阵模型中的像素是否对应有投影点由第三表达式确定，得到投影图像的数学模型；其中，A为预设的非0像素值；
第一表达式为：
Figure 377991DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 706204DEST_PATH_IMAGE023
表示第n个散射点到雷达的距离在第k个子孔径成像平面距离向的投影，
Figure 111777DEST_PATH_IMAGE024
表示在
Figure 567161DEST_PATH_IMAGE025
时刻的运动旋转矩阵，
Figure 109000DEST_PATH_IMAGE127
表示在
Figure 873694DEST_PATH_IMAGE025
时刻的轨道坐标系下的雷达视线，
Figure 18761DEST_PATH_IMAGE027
表示第k个子孔径的回波数据的测量中间时刻，上标符号T表示矩阵转置；
第二表达式为：
Figure 261523DEST_PATH_IMAGE028
；
其中，
Figure 923449DEST_PATH_IMAGE029
为求导符号，
Figure 593465DEST_PATH_IMAGE030
为雷达工作波长，
Figure 724363DEST_PATH_IMAGE031
表示第n个散射点在
Figure 36396DEST_PATH_IMAGE027
时刻的瞬时多普勒频率；
投影矩阵为
Figure 287248DEST_PATH_IMAGE032
；其中，
Figure 377433DEST_PATH_IMAGE033
等于第二表达式中的
Figure 244895DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 829460DEST_PATH_IMAGE128
等于第一表达式中的
Figure 216710DEST_PATH_IMAGE036
；
第三表达式为：
Figure 228528DEST_PATH_IMAGE037
；
其中，
Figure 317707DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 440384DEST_PATH_IMAGE039
分别为二维ISAR图像的距离分辨单元和方位分辨单元，
Figure 918026DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 631904DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
可选地，目标函数为：
Figure 942800DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 619900DEST_PATH_IMAGE043
表示二维ISAR图像序列中的第k张二维ISAR图像，
Figure 965431DEST_PATH_IMAGE129
表示在第k个子孔径成像平面的投影图像， j为像素点编号，K为子孔径成像平面的总数，
Figure 584631DEST_PATH_IMAGE130
表示求解参数，
Figure 382823DEST_PATH_IMAGE047
表示最优解，
Figure 362149DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 562186DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
可选地，装置还包括：图像预处理模块；
该图像预处理模块，用于在第三构建模块105构建目标函数之前，对二维ISAR图像序列中的二维ISAR图像进行图像预处理，以降低二维ISAR图像间的能量差距。
可选地，ISAR成像模块102，具体用于：
利用雷达发射信号构造脉冲压缩参考信号，并利用脉冲压缩参考信号对回波数据进行脉冲压缩处理；
将脉冲压缩处理后的回波数据划分为K组大小为
Figure 352287DEST_PATH_IMAGE050
的子孔径回波数据；其中，
Figure 388508DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 656678DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR成像图像的方位向像素点数；K为子孔径成像平面的总数；
对各组子孔径回波数据进行平动补偿，得到二维ISAR图像序列。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图11所示，包括处理器601、通信接口602、存储器603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信，
存储器603，用于存放计算机程序；
处理器601，用于执行存储器603上所存放的程序时，实现上述任一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法所述的方法步骤。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表征，图中仅用一条粗线表征，但并不表征仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质。在该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述任一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法所述的方法步骤。
可选地，该计算机可读存储介质可以为非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如为至少一个磁盘存储器。
可选的，所述计算机可读存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
在本发明的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法所述的方法步骤。
需要说明的是，对于装置/电子设备/存储介质/计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，包括：
获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及所述自旋空间目标的回波数据；
基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；
利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量；
基于所述轨道坐标系下的雷达视线矢量、所述自旋空间目标已知的三维模型以及所述自旋空间目标的运动规律，构建所述自旋空间目标在每个所述子孔径成像平面的投影图像的数学模型；
基于所述数学模型，以最大化所述二维ISAR图像序列与各个所述子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以所述数学模型中所使用的所述自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数；
利用粒子群优化算法求解所述目标函数，得到的最优解作为所述自旋空间目标的姿态估计结果。
2.根据权利要求1所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，所述运动姿态参数包括：
所述自旋空间目标的旋转角速度、所述自旋空间目标的转轴在所述轨道坐标系下的俯仰角和方位角，以及所述自旋空间目标绕本体三维坐标系的三个坐标轴的旋转值；其中，所述本体三维坐标系与所述三维模型中所定义的三维坐标系相同。
3.根据权利要求1所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，所述位置测量信息包括：所述瞬时雷达视线在雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角；
所述利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量，包括：
根据所述瞬时雷达视线在所述雷达测量坐标系下的俯仰角和方位角，构建所述瞬时雷达视线在所述雷达测量坐标系下的雷达视线矢量；
将所述雷达测量坐标系下的雷达视线矢量与一变换矩阵相乘，得到所述瞬时雷达视线在所述轨道坐标系下的雷达视线矢量；
其中，所述变换矩阵是以地心惯性坐标系为中转基准、实现从所述雷达测量坐标系到所述轨道坐标系的转换的矩阵。
4.根据权利要求2所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，在构建所述数学模型的过程中，所述自旋空间目标上的任一散射点表示为：
Figure 277691DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 70198DEST_PATH_IMAGE002
表示该散射点，
Figure 306661DEST_PATH_IMAGE003
为雷达的方位慢时间，
Figure 577236DEST_PATH_IMAGE004
为该散射点在所述本体三维坐标系下的坐标，n为该散射点的编号；
Figure 329292DEST_PATH_IMAGE005
为所述自旋空间目标的初始姿态旋转矩阵，
Figure 587973DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 792689DEST_PATH_IMAGE007
以及
Figure 929272DEST_PATH_IMAGE008
分别为所述自旋空间目标绕所述轨道坐标系的三个坐标轴的旋转量；
Figure 974982DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 906029DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 598041DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 272736DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 232340DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 599867DEST_PATH_IMAGE014
分别为所述自旋空间目标绕所述本体三维坐标系的三个坐标轴的俯仰角、滚动角以及偏航角；
Figure 779176DEST_PATH_IMAGE015
为所述自旋空间目标的运动旋转矩阵，
Figure 991982DEST_PATH_IMAGE016
表示所述自旋空间目标的旋转角速度，
Figure 68742DEST_PATH_IMAGE017
为单位矩阵，
Figure 341591DEST_PATH_IMAGE018
的下标r表示旋转的含义；
Figure 8196DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 24694DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 958889DEST_PATH_IMAGE021
分别为所述自旋空间目标的转轴在所述轨道坐标系下的俯仰角和方位角。
5.根据权利要求4所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，所述数学模型的构建方式，包括：
根据自旋空间目标的散射点到雷达的距离在所述轨道坐标系下的瞬时雷达视线上的投影的第一表达式，以及散射点的瞬时多普勒频率的第二表达式，构建散射点到二维ISAR成像平面的投影矩阵；
根据所述投影矩阵、所述初始姿态旋转矩阵以及散射点在所述本体三维坐标系下的坐标，构建散射点在二维ISAR成像平面的投影点的第三表达式；
构建与二维ISAR图像同等大小的矩阵模型，并定义所述矩阵模型中对应有投影点的像素值为A、未对应有投影点的像素值为0，以及定义所述矩阵模型中的像素是否对应有投影点由所述第三表达式确定，得到投影图像的数学模型；其中，A为预设的非0像素值；
所述第一表达式为：
Figure 668219DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 556541DEST_PATH_IMAGE023
表示第n个散射点到雷达的距离在第k个所述子孔径成像平面距离向的投影，
Figure 376729DEST_PATH_IMAGE024
表示在
Figure 168361DEST_PATH_IMAGE025
时刻的所述运动旋转矩阵，
Figure 986276DEST_PATH_IMAGE026
表示在
Figure 361893DEST_PATH_IMAGE025
时刻的所述轨道坐标系下的雷达视线，
Figure 218729DEST_PATH_IMAGE027
表示第k个子孔径的回波数据的测量中间时刻，上标符号T表示矩阵转置；
所述第二表达式为：
Figure 628982DEST_PATH_IMAGE028
；
其中，
Figure 680114DEST_PATH_IMAGE029
为求导符号，
Figure 543028DEST_PATH_IMAGE030
为雷达工作波长，
Figure 200624DEST_PATH_IMAGE031
表示第n个散射点在
Figure 199804DEST_PATH_IMAGE027
时刻的瞬时多普勒频率；
所述投影矩阵为
Figure 421838DEST_PATH_IMAGE032
；其中，
Figure 772048DEST_PATH_IMAGE033
等于所述第二表达式中的
Figure 236265DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 355531DEST_PATH_IMAGE035
等于所述第一表达式中的
Figure 482887DEST_PATH_IMAGE036
；
所述第三表达式为：
Figure 320393DEST_PATH_IMAGE037
；
其中，
Figure 325652DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 565003DEST_PATH_IMAGE039
分别为二维ISAR图像的距离分辨单元和方位分辨单元，
Figure 863260DEST_PATH_IMAGE040
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 188062DEST_PATH_IMAGE041
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
6.根据权利要求1或5所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，所述目标函数为：
Figure 994082DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 822361DEST_PATH_IMAGE043
表示所述二维ISAR图像序列中的第k张二维ISAR图像，
Figure 557099DEST_PATH_IMAGE044
表示在第k个所述子孔径成像平面的投影图像，
Figure 103618DEST_PATH_IMAGE045
为像素点编号，K为子孔径成像平面的总数，
Figure 710399DEST_PATH_IMAGE046
表示所述求解参数，
Figure 658763DEST_PATH_IMAGE047
表示所述最优解，
Figure 564402DEST_PATH_IMAGE048
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 598217DEST_PATH_IMAGE049
等于二维ISAR图像的方位向像素点数。
7.根据权利要求1所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，在构建所述目标函数之前，所述方法还包括：
对所述二维ISAR图像序列中的二维ISAR图像进行图像预处理，以降低二维ISAR图像间的能量差距。
8.根据权利要求1所述的基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计方法，其特征在于，所述基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列，包括：
利用雷达发射信号构造脉冲压缩参考信号，并利用所述脉冲压缩参考信号对所述回波数据进行脉冲压缩处理；
将脉冲压缩处理后的回波数据划分为K组大小为
Figure 746040DEST_PATH_IMAGE050
的子孔径回波数据；其中，
Figure 548911DEST_PATH_IMAGE051
等于二维ISAR图像的距离向像素点数，
Figure 625451DEST_PATH_IMAGE052
等于二维ISAR成像图像的方位向像素点数；K为子孔径成像平面的总数；
对各组所述子孔径回波数据进行平动补偿，得到二维ISAR图像序列。
9.一种基于自旋空间目标模型投影匹配的目标姿态估计装置，其特征在于，包括：
信息与数据获取模块，用于获取雷达对自旋空间目标的位置测量信息以及所述自旋空间目标的回波数据；
ISAR成像模块，用于基于所述回波数据在多个子孔径成像平面进行ISAR成像，得到二维ISAR图像序列；
第一构建模块，用于利用所述位置测量信息构建瞬时雷达视线在所述自旋空间目标自身的轨道坐标系下的雷达视线矢量；
第二构建模块，用于基于所述轨道坐标系下的雷达视线矢量、所述自旋空间目标已知的三维模型以及所述自旋空间目标的运动规律，构建所述自旋空间目标在每个所述子孔径成像平面的投影图像的数学模型；
第三构建模块，用于基于所述数学模型，以最大化所述二维ISAR图像序列与各个子孔径成像平面的投影图像的相似度为目标、并以所述数学模型中所使用的所述自旋空间目标的运动姿态参数为求解参数，构建一目标函数；
姿态估计模块，用于利用粒子群优化算法求解所述目标函数，得到的最优解即为所述自旋空间目标的姿态估计结果。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1~8任一项所述的方法步骤。
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