[发明专利]一种基于轨迹平面法向量和圆心结合的旋转轴估计方法

说明书

本发明属于信号处理技术领域，公开了一种基于轨迹平面法向量和圆心结合的旋转轴估计方法，建立与分析自旋目标空间三维坐标系；目标运动轨迹重建，求解轨迹平面法向量；采用最小二乘法拟合圆轨迹并计算圆心坐标；圆心坐标逆变换并结合轨迹平面法向量完成旋转轴标定。本发明可以实现在初步获取空间自旋目标ISAR三维图像的基础上，通过自旋目标主轴估计建模、提取目标特征散射点、估计目标圆心坐标并结合法向量，达到实现自旋目标旋转轴估计与标定，为后期在轨服务系统的中空间非合作自旋目标识别中目标姿态与参数估计等问题提供技术基础。本发明利用三维图像信息对自旋目标旋转轴进行精确估计，为后续在轨操作等任务提供重要测量信息。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种基于轨迹平面法向量和圆心结合的旋转轴估计方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：从两种探测手段分为微波和光学，其中微波手段主要是基于GRT-CLEAN的高速旋转目标方法为代表ISAR三维成像技术，和以基于视觉SLAM估计空间旋转非合作目标转轴的方法为代表的光学手段，为实现微波雷达对空间非合作自旋目标较高精度成像与识别，则需要非合作自旋目标进行有效的目标姿态参数准备提取，但由于空间目标的非合作性，雷达视线角和目标运动特性不能先验很好确定，若要对目标进行精确成像与识别，需要进一步获取目标的空间运动参数，然而目前大部分非合作目标信息测量都是基于光学体制，存在全天时、全天候的工作缺陷，因此需要开展新方法的研究，同时由于大部分目标三维成像结果，并未对成像结果进行后期目标运动特征参数提取，因此需要开展新应用的研究。

现有技术一“基于GRT-CLEAN的高速旋转目标”提出加速的GRT-CLEAN高速自旋目标三维成像方法对目标三维特征进行提取，但只对散射点目标进行估计和三维成像，并未涉及自旋目标旋转轴估计相关内容，这是由于该方法只针对雷达与目标视线角范围内的特征散射点幅度和相位的提取与补偿，并未将建立旋转角速度观测模型，且并未对三维成像的结果进行高速自旋目标转轴估计进行研究。现有技术二“高速旋转目标三维成像的新算法”(提出一种有效GRT-CLEAN方法，将目标参数估计与修正的CLEAN相结合实现各散射点特征估计，但该文只对散射点目标进行估计和三维成像，也未涉及自旋目标旋转轴估计与定标等内容，该方法只建立雷达与目标间的观测模型，并未考虑自旋目标本身转轴方向模型的建立，故仅能假定一定范围内旋转速度进行成像，且不能对目标转轴方向进行估计，无法获得矢量的旋转速度。现有技术三“基于视觉SLAM估计空间旋转非合作目标转轴的方法”提出采用光学CCD相机探测体制，对RGBD相机采集的每帧图像进行处理，拟合空间平面法线，达到自旋目标转轴估计的目的，由于探测体制的不同，光学手段受光照等条件影响，无法实现全天时对空间目标进行探测，而微波手段则可克服该缺陷，全天时对空间目标进行探测。但该方法采用光学探测与本发明采用微波成像手段有体制上得区别。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一基于GRT-CLEAN的高速旋转目标提出加速的GRT-CLEAN高速自旋目标三维成像方法只对散射点目标进行估计和三维成像，并未涉及自旋目标旋转轴估计相关内容。

(2)现有技术二高速旋转目标三维成像的新算法只对散射点目标进行估计和三维成像，也未涉及自旋目标旋转轴估计与定标等内容。

(3)现有技术三基于视觉SLAM估计空间旋转非合作目标转轴的方法采用光学探测与本发明采用微波成像手段有体制上得区别。

解决上述技术问题的难度：

上述技术主要存在的技术难度在于三点：首先对自旋目标三维成像的旋转角速度有一定的限制，不能完全做到高速自旋目标准确成像，其次大多数三维成像仅从发射信号带宽、成像视线角、基线长度来实现，不考虑自旋目标转轴方向，对于目标矢量旋转速度考虑过少，在一定程度上会大大降低三维成像的精度和准确度。最后，采用光学手段实现空间目标成像，无法实现目标在任何时间被探测，时效性有缺陷。

解决上述技术问题的意义：