现代工艺中,钢结构运用了大量焊接工艺,焊缝中裂纹缺陷的存在对于整个结构的安全有很大影响,为了保证焊接结构的质量,必须对钢结构焊缝进行无损检测。超声衍射时差法(TOFD, time of flight diffraction)是一种适合于中厚度焊缝中缺陷的无损检测方法,但是受自身成像特性和材料声学特性的影响,在该方法检测的B扫描图像中,缺陷的特征信息不易于获取,因此难以实施准确的定量化表征。本文通过描述声场的分布及声波的传播过程,研究了超声TOFD法成像的正演问题,并以此为基础,结合相关的信号及图像处理技术,研究了超声TOFD法成像的反演问题,最终提高了焊缝中裂纹缺陷的量化表征精度。主要内容有:　　(1)通过对声波传播过程的分析,利用多元高斯声束模型,计算了工件中的声压分布。通过参考试验,确定了超声检测系统的系统效率系数。在此基础上,采用基尔霍夫近似理论建立了几种典型缺陷体的测量模型。利用测量模型正演了缺陷检测的A扫描信号,进而合成了超声TOFD法B扫描图像。试验结果表明:正演合成结果与实际检测结果吻合较好,从而为检测工艺参数的优化、无损表征的反演问题分析提供了基础。　　(2)针对超声TOFD法近表面盲区内缺陷难以识别的问题,提出了基于拉直重构的直通波滤除方法。　　(3)针对超声TOFD法检测图像内由于缺陷信号呈抛物线形所造成的缺陷判定不精确的问题,提出了一种基于合成孔径聚焦的缺陷信号增强方法。通过实例分析表明,此方法能将裂纹缺陷的测量精度提高6.4％以上,实现了缺陷的精确判定。　　(4)在超声检测中掌握声场分布是缺陷定位、定量的检测关键。本文基于多元高斯模型设计了一个超声TOFD法声场仿真系统。利用仿真系统可以实现探头发射声场的可视化,另外还可以直观显示超声波在不同界面处的传播行为。　　(5)超声检测中,探头选择非常重要。接触法检测时,可按行业标准选择合适的探头参数,而使用液浸法检测时,目前还没有科学依据。针对这一问题,探讨了一种基于近场区长度的探头选择方法。缺陷回波仿真实验结果表明:该探头选择方法是有效的,有助于提高液浸法超声检测的准确度。