空心轴作为高速列车重要组成部件,在使用过程中应力聚集处会产生轴内部缺陷和轴外表面裂纹,缺陷扩展最后发生断轴引起动车脱轨给人民和国家造成重大损失。本论文旨在研究空心轴外表面裂纹和内部缺陷精确量化技术,开展了基于动态合成孔径的虚拟源技术,利用它对空心轴内部体积缺陷检测,达到成像质量信噪比和分辨率显著优于常规技术的目的;使用基于费马定理和Snell定律的双层介质成像方法获得线性交界面入射点坐标的精确解,实现对空心轴倾斜裂纹、垂直裂纹定量分析。本文主要研究内容如下:通过对相控阵探头声场理论分析建立了波束延时偏转聚焦模型,对合成动态孔径计算方式进行了推导,给出合成孔径技术超声成像质量评价的指标。通过相控阵合成孔径原理研究,分析了虚拟源几何模型,在原有的基础上使用点叠加方法改进了虚拟源在第一阶段波束合成的速率,同时保持了最终的成像质量,为实时成像提供了一种可行方案,最后用仿真和实验验证了改进算法的可行性。研究了声场在双层介质中的传播理论,根据Snell定律和超声沿最短时间路径传播原理,得到关于波束在双层介质交界处坐标的一元四次方程,通过Ferrari方法建立了双层界面条件下超声波束入射点位置计算模型求解方法,分别实现了基于双层介质的全聚焦算法和基于波束序列合成的多阵元合成孔径算法,通过实验分别对两种算法在单层介质和双层介质下的成像模型进行了验证和对比。最后使用虚拟源的线扫和扇扫技术对内部体积缺陷进行检测,验证了基于虚拟源技术的超声成像信噪比和分辨率都优于传统合成孔径技术;对双层介质下的成像算法进行了改进,使它拥有对垂直裂纹定量检测的能力,实验证明改进后的加楔块的全聚焦算法在垂直裂纹检测方面具有定位准确,对缺陷的量化能力强等特点。