管类、棒材和轴类等圆柱类部件在国民经济、国防建设和高新技术等相关领域应用广泛,其生产质量的监控和使用性能的保障都离不开无损检测技术。在众多的无损检测方法,超声无损检测技术以其高可靠性、适应性、安全性和特征参量丰富性以及与信息技术结合的方便性等诸多优势,成为了无损检测领域中最具发展潜力的技术手段之一。并随着现代工业的发展,对无损检测效率及其精度的要求不断提升,常规超声无损检测已难以满足圆柱类部件质量监控的应用需求。为此,有必要将机电一体化与相控阵超声无损检测技术相融合,发展出一种面向圆柱类部件的自动化在线相控阵超声成像检测技术,达到提高超声无损检测可靠性、效率及其精度的目的。然而,由于超声波传播过程的复杂性,声学信号除受激励脉冲和超声换能器性能影响外,还受到声衰、衍射和频散等诸多声学效应的作用,使得超声成像分辨率进一步恶化。目前,尽管已有一些行之有效的提高成像分辨率的理论和算法,但大多建立在柱坐标系下,难以适合螺旋扫查模式下的应用需求,而正是螺旋扫查建模理论的缺失阻碍了高分辨率成像算法的发展。基于以上背景,本学位论文结合国家自然科学基金项目“圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究”(No.51675480),提出开展圆柱类部件在线相控阵超声成像理论与技术的研究。在分析超声无损检测和相控阵超声成像相关技术研究现状及其发展趋势,明确圆柱类部件相控阵超声成像检测机理的基础上,重点开展相控阵超声检测声场合成、稀疏化反演成像、面向复杂叠层圆柱结构及基于螺旋扫查的合成孔径聚焦等关键技术的研究,有效提高圆柱类部件自动化相控阵超声成像的时间和空间分辨率,以满足圆柱类部件缺陷的在线定量无损检测应用需求。同时,研发一套圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测系统,开展相关实验研究,证实本文所研发理论与技术的可行性和有效性。本文的主要工作内容包括:第一章,阐述了圆柱类部件对于国民经济和国防建设的作用,以及开展了圆柱类部件在线相控阵超声成像检测技术研究的重要意义,分析了相控阵超声成像相关技术的研究现状及其发展趋势,明确了目前相控阵超声成像技术存在的问题及其对策,为本文的研究指明方向。同时,还对论文的研究内容及其章节进行了安排。第二章,开展了圆柱类部件相控阵超声成像理论与技术基础的研究。建立和求解圆柱与螺旋坐标系下的波动方程,实现圆柱体内声波传播信号的理论建模,明确了圆柱和螺旋扫查模式下圆柱类部件内声波的传播机理。同时,系统分析和仿真研究了相控阵超声换能器的指向特性及其声束的合成,并对相控阵超声复合扫查成像技术进行了理论探讨。第三章,提出了一种相控阵超声图像的稀疏化盲反卷积技术。在建立相控阵超声成像卷积模型及利用正交匹配追踪算法实现稀疏化反卷积的基础上,对于超声脉冲响应未知的检测场合,通过非对称高斯模型估计脉冲响应函数的频谱,并采用反复迭代的方式实现了盲反卷积运算,从而提高了相控阵超声成像的时间分辨率。实验结果表明,对于回波声学特性变化较大的应用场合,该技术能够有效改善成像的时间分辨率,并减少检测盲区及提高检测精度。第四章,提出了一种圆柱扫查模式下的相控阵超声频域合成孔径聚焦成像技术。根据圆柱坐标下波动方程的通解,利用傅里叶变换建立圆柱外扫查方式下检测信号模型的频域表达式,推导出圆柱坐标系下检测声场的重建公式。在此基础上,利用爆炸反射模型的成像条件,对感兴趣圆柱面上的声场进行重建,从而提高圆柱扫查模式下的相控阵超声成像空间分辨率。仿真和实验结果表明,该技术能够有效提高圆柱扫查模式下超声成像的空间分辨率。第五章,提出了一种螺旋扫查模式下的相控阵超声频域合成孔径聚焦成像技术。根据螺旋坐标系下波动方程的通解,利用傅里叶变换建立螺旋扫查下检测信号模型的频域表达式,推导出螺旋坐标下的检测声场重建公式。在此基础上,利用爆炸反射模型的成像条件,对感兴趣螺旋面上的声场进行重建,从而提高螺旋扫查模式下的相控阵超声成像空间分辨率。仿真和实验结果表明,该技术能够有效提高螺旋扫查模式下超声成像的空间分辨率。第六章,提出了一种面向复杂圆柱结构的相控阵超声频域合成孔径聚焦成像技术。将裂步傅里叶算法融入相控阵超声频域合成孔径聚焦成像技术中,解决了复杂圆柱结构的非规则分层问题,实现了复杂圆柱结构的高空间分辨率的频域合成孔径聚焦成像。实验结果表明,该技术有效拓展了前述两章中的合成孔径聚焦成像技术,对于复杂圆柱体结构也能够确保很高的成像空间分辨率。第七章,开展了圆柱类部件在线相控阵超声成像检测系统及其应用的研究。在完成基于虚拟仪器体系结构的成像检测系统总体方案设计的基础上,开发出一种基于PXI总线的相控阵超声检测板卡,并结合机电一体化技术,研发了一套圆柱类部件在线相控阵超声成像检测系统样机。同时,利用该样机完成了无缝钢管在线相控阵超声成像检测实验研究,验证了本文相关理论和技术的可行性和有效性。第八章,总结论文取得的创新研究成果,并展望未来的工作。