焊接是制造业的基础工艺和关键技术,对现代工业和国民经济产生巨大影响。而超声衍射时差(Time of Flight Diffraction, TOFD)成像有着突出的技术优势,是焊缝质量评价的主要手段,但其成像质量还有待进一步提高。为此,本文结合国家自然科学基金项目“基于旋转声场的高性能自动化在线超声无损检测理论与实践研究”(NO.51175465),提出开展高质量超声TOFD成像关键技术的研究。在明确超声TOFD成像机理的基础上,采用基于正交匹配追踪的超声信号稀疏技术精确测量波达时间,通过合成孔径聚焦成像与信号稀疏技术相结合,提高成像的空间分辨率,并进行拉直和线性化处理,友好表征成像结果,实现高质量超声TOFD成像的目的。具体的研究工作包括：第一章,论述焊接技术对现代工业的影响以及开展超声TOFD成像技术研究的意义,系统总结该技术的研究现状及其发展趋势,明确影响成像质量的关键因素,为本文的研究指明了方向。第二章,介绍超声TOFD成像机理和缺陷定量计算方法,分析实际超声探头所激发信号的空间频率分布特性及其对成像质量的影响,并开发了一套超声TOFD成像实验系统,为本文的研究奠定必要的理论和实验基础。第三章,针对传统超声波达时间测量方法的缺点,在应用裂谱分析算法对实测信号消噪处理以及建立基于Gabor函数的特征信号库的基础上,利用正交匹配追踪算法将实测信号与特征信号库中的原子进行优化匹配,实现检测信号的稀疏,达到了精确测量波达时间的目的。同时,发展了一种改进型正交匹配追踪算法实现重叠信号的分离,减小了检测的盲区。第四章,由于实际声束的扩散性,使得点状缺陷的超声TOFD成像结果呈抛物线形,降低成像的横向分辨率。为此,将合成孔径聚焦技术融合到超声TOFD成像中,在提高成像横向分辨率的基础上,利用信号稀疏技术改善成像纵向分辨率,从而提高超声TOFD成像的空间分辨率。第五章,由于直通波达时间误差的影响以及图像纵向方向与焊缝厚度之间呈非线性关系,导致传统超声TOFD成像难以直观友好地表征焊缝的实际结构,带来判读的困难。因此,通过对图像进一步拉直和线性化处理,实现超声TOFD成像结果的友好表征。第六章,对全文的研究工作进行总结,对以后更深入的研究进行展望。