超声检测合成孔径技术的实现
合成孔径聚焦成像是由合成孔径雷达技术发展来的，应用与材料检测，桥梁
质量测试，光学，声学等各种领域，该技术利用小孔径换能器及较低的工作频率
来获得高方位分辨率，在图像的重建过程中，应用各种成熟数字图像处理技术得
到较高分辨率的图像。 HM000051
本论文主要研究合成孔径技术在超声检测中的实现，主要内容为数据处理、
图像重建方法，建立了在混凝土中使用超声检测的模型，并探索了适合该模型的
波包原子分解算法。该论文首先介绍了合成孔径聚焦技术形成的背景，基本概念，
然后分析合成孔径聚焦成像的基本原理，并深入研究了如何提高图像的横向与纵
向的分辨率，且对 SAFT 原理进行了深入的分析；以及线性调频信号机理，并对
合成孔径混凝土模型的建立作出了具体分析，以及软件 Comsol 的仿真结果，最后
论文详细探讨了波包原子算法的波包分解，激励的给出以及探测波形的仿真，并
给出原理流程图。
本文利用 Matlab 编程实现了波包原子分解算法与 SAFT 原理想结合，使得探
测波形通过该算法处理后，得出理想的图像，与原来的探测波形相比，可以很明
显地显示出缺陷点的位置。
【 关键词 】Matlab；合成孔径技术；超声检测；SAFT；波包原子分解算法
1.2 合成孔径技术的研究现状 查看完整请+Q:351916072获取
超声检测能够判别缺陷点的主要依据是：超声波在固体中的传输损失很小，
探测深度大，由于超声波在空结腔或缺陷部分会发生反射、折射等现象，尤其是
不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷或夹杂，超声波
传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头
接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一
定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。
超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，
能对缺陷进行定位和定量。
合成孔径技术在很多领域中有着广泛的应用，如合成孔径雷达成像技术，合
成孔径雷达海洋技术，合成孔径聚焦成像技术等。一般，合成孔径雷达技术应用
更为广泛些。
合成孔径聚焦技术作为一种超声检测的新领域技术，其最主要宗旨是利用小
孔径的换能器和较低的工作频率来获得方位向的高分辨率，其工作主要分为数据
的采集，存储和数据的处理、图像的重建这两个部分。
对于目前我们需要测混凝土实验来看，合成孔径聚焦成像技术是对应的信号
处理方法。本文主要研究的是混凝土结构在超声无损检测中的一个重要组成部分，
利用合成孔径技术对混凝土中的物体内部结构特性的声波信号进行采集、处理和
分析，从而得到混凝土的内部结构特性。本次毕业设计要求根据相关声学知识及
波束形成理论建立数学模型，使用 Comsol 得出若干组数据，并利用 Matlab 对模
型进行数值仿真并成像，以判断混凝土结构特性，并判断合成孔径聚焦成像技术
是否符合桥梁中的预应力管道测试。
在过去的 50 多年里，合成孔径雷达技术取得突飞猛进的发展，在成像方法上
由非聚焦到聚焦处理，在处理方式上由光学处理发展到数字式的实时处理，工作
波段从单频单极化发展到多频化多级化。分辨率也有很大的提高。工作模式有单
一的条带模式发展为聚束、扫描、干涉合成孔径雷达等多种模式。在 21 世纪的今
天，上述的研究热点将会得到进一步的发展，并将更大程度上从理论向实践迈进，
有关合成孔径雷达的发展也会有一片新的发展领域。逐步向装备一体化、微型化、
抗干扰、多合成孔径雷达组网等方向发展。
1 . . 装备一体化
未来的太空研究中，各样的平台都会出现，太空空间的争夺也会愈演愈烈，
因此，星载合成孔径雷达系统可以在其平台上加载其他装备，使得装备一体化的
实现。此外，星载平台合成雷达的侦查目标也应该向空间中其它卫星系统转移，
在其平台上加装具有干扰、窃听甚至具有摧毁功能的武器，实现对其它卫星的侦
查监视。
2 . . 微型化 查看完整请+Q:351916072获取
小型化的雷达合成孔径雷达技术愈加的成熟，再由于目前机载雷达受到平台
技术参数的限制，因此合成孔径雷达与平台都应该不断减少体积，不断向微型化
发展，实现其对战场的持续秘密侦查。
3 . . 抗干扰
对合成孔径雷达实施干扰的主要有：对有效载荷的干扰，对数据传输的干扰
和卫星平台的干扰。所以，从干扰的因素来看，还需要研究抗干扰技术，确保其
在电磁干扰的环境下不受影响。
4 . . 多合成孔径雷达组网
因为分辨率不断的提高，扫描波束越来越窄，雷达的成像空间有限，在多模
式下，可以按空间位置进行多星组网，采取星座或者星队侦查方式，以用来提高
侦查的实效性，实现对特定战场的持续监控 [4] 。
该论文主要框架为：
第一章 简单介绍合成孔径的基本概念，引入研究该课题的原因和背景，主要
是引出了预应力管道压浆的测试的重要性，简单的分析了超声检测技术和合成孔
径雷达技术的发展，最后分析合成孔径聚焦成像和该课题主要研究的内容，分析
了合成孔径技术的未来发展趋势。
目 录
摘要.I
ABSTRACTII 查看完整请+Q:351916072获取
第 第 1 1 章 章 绪论.1
1.1 合成孔径技术的发展背景及其历史1
1.2 合成孔径技术的研究现状3
1.3 本章小结5
第 2 2 章 章 合成孔径技术的基本原理.6
2.1 成像分辨率问题6
2.1.1 距离向分辨率.6
2.1.2 方位向分辨率.7
2.2 合成孔径超声成像原理9
2.2.1 合成孔径换能器的选择.9
2.2.2 SAFT 原理.10
2.2.3 阵列聚焦原理.12
2.3 角度相关卷积算法提高分辨率16
2.4 本章小结17
第3 3章 章 合成孔径聚焦成像的模型和算法19
3.1 数学模型19
3.1.1 超声波在混凝土中的传播特性.19
3.1.2 实验中的混凝土模型.20
3.2 波包原子算法22
3.3 本章小结25
第4 4章 章 合成孔径聚焦成像的仿真和结果分析26
4.1 波包原子分解算法仿真26
IV4.2 简单SAFT原理仿真.29
4.3 本章小结30
第 第 5 章 章 总结.31
参考文献.33
致 谢.34
附 录.35
英文翻译.37
一、英文原文.38
二、英文翻译.50
任 任 务 务 书.63 查看完整请+Q:351916072获取
质量测试，光学，声学等各种领域，该技术利用小孔径换能器及较低的工作频率
来获得高方位分辨率，在图像的重建过程中，应用各种成熟数字图像处理技术得
到较高分辨率的图像。 HM000051
本论文主要研究合成孔径技术在超声检测中的实现，主要内容为数据处理、
图像重建方法，建立了在混凝土中使用超声检测的模型，并探索了适合该模型的
波包原子分解算法。该论文首先介绍了合成孔径聚焦技术形成的背景，基本概念，
然后分析合成孔径聚焦成像的基本原理，并深入研究了如何提高图像的横向与纵
向的分辨率，且对 SAFT 原理进行了深入的分析；以及线性调频信号机理，并对
合成孔径混凝土模型的建立作出了具体分析，以及软件 Comsol 的仿真结果，最后
论文详细探讨了波包原子算法的波包分解，激励的给出以及探测波形的仿真，并
给出原理流程图。
本文利用 Matlab 编程实现了波包原子分解算法与 SAFT 原理想结合，使得探
测波形通过该算法处理后，得出理想的图像，与原来的探测波形相比，可以很明
显地显示出缺陷点的位置。
【 关键词 】Matlab；合成孔径技术；超声检测；SAFT；波包原子分解算法
1.2 合成孔径技术的研究现状 查看完整请+Q:351916072获取
超声检测能够判别缺陷点的主要依据是：超声波在固体中的传输损失很小，
探测深度大，由于超声波在空结腔或缺陷部分会发生反射、折射等现象，尤其是
不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷或夹杂，超声波
传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头
接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一
定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。
超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，
能对缺陷进行定位和定量。
合成孔径技术在很多领域中有着广泛的应用，如合成孔径雷达成像技术，合
成孔径雷达海洋技术，合成孔径聚焦成像技术等。一般，合成孔径雷达技术应用
更为广泛些。
合成孔径聚焦技术作为一种超声检测的新领域技术，其最主要宗旨是利用小
孔径的换能器和较低的工作频率来获得方位向的高分辨率，其工作主要分为数据
的采集，存储和数据的处理、图像的重建这两个部分。
对于目前我们需要测混凝土实验来看，合成孔径聚焦成像技术是对应的信号
处理方法。本文主要研究的是混凝土结构在超声无损检测中的一个重要组成部分，
利用合成孔径技术对混凝土中的物体内部结构特性的声波信号进行采集、处理和
分析，从而得到混凝土的内部结构特性。本次毕业设计要求根据相关声学知识及
波束形成理论建立数学模型，使用 Comsol 得出若干组数据，并利用 Matlab 对模
型进行数值仿真并成像，以判断混凝土结构特性，并判断合成孔径聚焦成像技术
是否符合桥梁中的预应力管道测试。
在过去的 50 多年里，合成孔径雷达技术取得突飞猛进的发展，在成像方法上
由非聚焦到聚焦处理，在处理方式上由光学处理发展到数字式的实时处理，工作
波段从单频单极化发展到多频化多级化。分辨率也有很大的提高。工作模式有单
一的条带模式发展为聚束、扫描、干涉合成孔径雷达等多种模式。在 21 世纪的今
天，上述的研究热点将会得到进一步的发展，并将更大程度上从理论向实践迈进，
有关合成孔径雷达的发展也会有一片新的发展领域。逐步向装备一体化、微型化、
抗干扰、多合成孔径雷达组网等方向发展。
1 . . 装备一体化
未来的太空研究中，各样的平台都会出现，太空空间的争夺也会愈演愈烈，
因此，星载合成孔径雷达系统可以在其平台上加载其他装备，使得装备一体化的
实现。此外，星载平台合成雷达的侦查目标也应该向空间中其它卫星系统转移，
在其平台上加装具有干扰、窃听甚至具有摧毁功能的武器，实现对其它卫星的侦
查监视。
2 . . 微型化 查看完整请+Q:351916072获取
小型化的雷达合成孔径雷达技术愈加的成熟，再由于目前机载雷达受到平台
技术参数的限制，因此合成孔径雷达与平台都应该不断减少体积，不断向微型化
发展，实现其对战场的持续秘密侦查。
3 . . 抗干扰
对合成孔径雷达实施干扰的主要有：对有效载荷的干扰，对数据传输的干扰
和卫星平台的干扰。所以，从干扰的因素来看，还需要研究抗干扰技术，确保其
在电磁干扰的环境下不受影响。
4 . . 多合成孔径雷达组网
因为分辨率不断的提高，扫描波束越来越窄，雷达的成像空间有限，在多模
式下，可以按空间位置进行多星组网，采取星座或者星队侦查方式，以用来提高
侦查的实效性，实现对特定战场的持续监控 [4] 。
该论文主要框架为：
第一章 简单介绍合成孔径的基本概念，引入研究该课题的原因和背景，主要
是引出了预应力管道压浆的测试的重要性，简单的分析了超声检测技术和合成孔
径雷达技术的发展，最后分析合成孔径聚焦成像和该课题主要研究的内容，分析
了合成孔径技术的未来发展趋势。
目 录
摘要.I
ABSTRACTII 查看完整请+Q:351916072获取
第 第 1 1 章 章 绪论.1
1.1 合成孔径技术的发展背景及其历史1
1.2 合成孔径技术的研究现状3
1.3 本章小结5
第 2 2 章 章 合成孔径技术的基本原理.6
2.1 成像分辨率问题6
2.1.1 距离向分辨率.6
2.1.2 方位向分辨率.7
2.2 合成孔径超声成像原理9
2.2.1 合成孔径换能器的选择.9
2.2.2 SAFT 原理.10
2.2.3 阵列聚焦原理.12
2.3 角度相关卷积算法提高分辨率16
2.4 本章小结17
第3 3章 章 合成孔径聚焦成像的模型和算法19
3.1 数学模型19
3.1.1 超声波在混凝土中的传播特性.19
3.1.2 实验中的混凝土模型.20
3.2 波包原子算法22
3.3 本章小结25
第4 4章 章 合成孔径聚焦成像的仿真和结果分析26
4.1 波包原子分解算法仿真26
IV4.2 简单SAFT原理仿真.29
4.3 本章小结30
第 第 5 章 章 总结.31
参考文献.33
致 谢.34
附 录.35
英文翻译.37
一、英文原文.38
二、英文翻译.50
任 任 务 务 书.63 查看完整请+Q:351916072获取
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