航空、航天、铁路、桥梁、核电站、新材料等领域的快速发展,一方面推动了无损检测技术的发展,另一方面对无损检测技术提出了更高的要求。作为最具发展前景的超声相控阵成像检测技术,它综合了超声相控阵技术和超声成像技术,具有检测面积大、检测速度快、检测结果图像化、易定量等优势,但是其成像分辨率受到声波衍射限制。为了提高成像分辨率,需要使用更高频率的超声波,但是,超声波的频率越高,其在传播过程中的衰减就越厉害,影响探测深度。在超声波工作频率不变的前提下,本文研究了基于时间反转声学理论的超分辨率成像方法,提高了成像分辨率、改善了超声图像质量。主要研究内容及创新点如下:一、研究了超声相控阵在固体介质中的声场特性,构建了超声成像系统的点扩散函数,作为阵列参数分析的评价指标,定量分析了阵列参数对成像分辨率的影响。基于阵列的单个阵元在固体介质中的远场指向性函数和惠更斯原理,研究了阵列的声场特性,结果表明,通过对阵元应用不同的延迟定律,实现了声束的聚焦和偏转,达到了扫描成像的目的。引入全矩阵采集法FMC采集超声阵列数据,全聚焦方法TFM进行图像重构,构建了超声成像系统的点扩散函数,以其作为评价目标,定量分析了阵列参数对成像分辨率的影响,研究表明:阵元间距p取半波长,可以抑制栅瓣;阵元输出超声脉冲的持续时间影响超声成像系统的纵向分辨率,超声脉冲持续时间越短,纵向分辨率越高;阵列数目影响超声成像系统的横向分辨率,阵元数目越多,横向分辨率越高。二、研究了时间反转声学理论,提出了实用化的时间反转多信号分类法TR-MUSIC,并分析了噪声对TR-MUSIC成像分辨率的影响,在噪声较弱时能够克服声波的衍射限制,实现超分辨率成像,解决了成像分辨率与探测深度相矛盾的问题。对存在多次散射的模型进行了分析,详细讨论了其特征值系统和TR-MUSIC成像函数,并分析了噪声对TR-MUSIC成像分辨率的影响,结果表明,在不考虑噪声或噪声较弱的情况下,TR-MUSIC能够克服声波的衍射限制,实现超分辨率成像,解决了成像分辨率与探测深度相矛盾的问题。将TR-MUSIC实用化,提出了利用切比雪夫窗函数提取缺陷散射信号的方法,结果表明,该方法能够有效提取时域波形中的缺陷散射信号,消除其它干扰信号;同时提出了10%阈值准则,用于划分不同噪声强度下的信号子空间和噪声子空间。实验结果表明,实用化的TR-MUSIC成像方法能够区分钢试块内距离d<d_R的两个缺陷,实现超分辨率成像,其中d_R是由瑞利准则计算得到的分辨率极限。三、研究了多频时间反转成像方法,提出了多频时间反转多信号分类法MF-TR-MUSIC,较好地解决了CF-TR-MUSIC成像分辨率易受噪声干扰的问题。针对强噪声环境下CF-TR-MUSIC失效的问题,提出了MF-TR-MUSIC成像方法,研究了其成像函数中参数的选取原则,结果表明,频率增量Δω对成像方法的影响较小,本文取Δω=100k Hz;频率带宽Ω对成像方法的影响较大,本文取Ω=3MHz～7MHz,等于阵元输出超声脉冲的-6dB带宽。研究了MF-TR-MUSIC成像方法的超分辨率特性和对噪声的鲁棒性,仿真和实验结果表明,MF-TR-MUSIC能够区分钢试块内d<d_R的两个缺陷,实现超分辨率成像;MF-TR-MUSIC能够定位铜试块的内部缺陷,抑制CF-TR-MUSIC图像中由强噪声引起的伪像,正确评估铜试块的内部结构。四、研究了阵列传感器的相干点扩散函数,提出了相位补偿的相位相干时间反转多信号分类法PC-MUSIC,解决了TR-MUSIC成像纵向分辨率不高的问题,改善了超声图像质量。定义了1-D线性阵列的相干点扩散函数,解释了TR-MUSIC成像纵向分辨率不高的原因。研究了阵列响应矩阵的奇异值系统的不唯一性,分析了PC-MUSIC的成像函数,结果表明,PC-MUSIC能够消除奇异值系统的不唯一性和保持相位信息。将PC-MUSIC实用化,利用其检测沿纵向分布的缺陷,结果表明,PC-MUSIC消除了出现在TR-MUSIC图像中的纵向延长,提高了超声成像系统的纵向分辨率,同时在相位补偿后,提高了PC-MUSIC的定位精度。