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随着航天技术的迅速发展，空间环境发生了巨大的变化，空间目标数量日益增多，对人类的空间环境以及我国的空间安全造成了严重的威胁。ISAR雷达具有全天时、全天候、探测距离远等特点，已经成为空间目标监视与识别系统中重要的组成部分，它所得到的一维像、二维ISAR像等，可以为目标识别提供有效信息。其中ISAR像是目标在距离向和方位向上的散射点分布，更加直观的反映了目标的结构形态信息，此外，目标的动态序列ISAR像还能够反映出目标的姿态变化。因此，ISAR像在目标特征提取与识别领域具有重要的作用和意义。 本文基于雷达ISAR像，对空间目标的结构及姿态反演方法进行了深入的研究，重点研究了空间目标的轮廓及主轴特征提取、典型结构部件检测与分割，以及空间目标的姿态反演方法。具体内容安排如下: 第1章阐述了课题的研究背景与意义。归纳了ISAR像预处理、目标结构反演、姿态反演等研究现状，分析了空间目标结构及姿态信息提取中存在的主要问题，并介绍了本文的主要工作和创新点。 第2章对空间目标的ISAR成像原理及其特性进行了分析，并对ISAR像预处理方法进行了研究。鉴于普通滤波方法存在无法有效去除ISAR像中特有的带状干扰的缺点，经过对带状噪声形成原因和分布特点的分析，提出了一种新的基于均值的双阈值去噪方法，实验证明了该方法的有效性。 第3章研究了基于Radon变换的空间目标主轴和太阳板轴提取方法。根据空间目标ISAR像经过Radon变换后的区域特点，查找Radon图像中强投影区域的中心，再根据Radon图像中的点与ISAR像中直线的对偶关系提取出目标的轴线方向，最后根据轮廓确定轴线端点并将主轴和太阳板轴分别提取出来，实验证明该方法能准确提取出目标的轴向信息。 第4章研究了空间目标的结构反演方法。首先根据轴向信息分割出太阳板区域，然后利用Hough变换提取出圆形天线，再根据空间目标结构特点利用Radon变换提取出目标的矩形天线，最后根据主轴特征排除天线的影响提取出目标的主体区域，并对各个部件的尺寸进行了初步的反演。仿真实验结果证明对大型部件的提取结果及尺寸反演结果比较准确。 第5章研究了基于关键点重建的三维姿态估计方法。在空间目标主轴和太阳板轴提取的基础上，基于图像序列对两个关键轴进行重建，得到轨道坐标系下目标的滚动轴和俯仰轴，从而成功估计出空间目标的三维姿态角。 最后为本文结论，对本文的研究内容进行了系统的总结，并对下一步工作进行探讨。