碳纤维复合材料凭借其性能特点在航空航天和轨道交通这两个关系民生的重要领域取得了越来越多的应用。因与其相关零件在加工过程中和使用过程中难免会产生不同类型的缺陷,进而带来了不同程度的安全隐患问题。故此需要对其开展相关的缺陷检测研究,本文分析了几种常用的检测方式后,最终确定了以超声波无损检测的方式来完成复合材料的缺陷检测。本文重点对碳纤维复合材料无损检测技术中的空气耦合超声缺陷检测技术开展了研究,先是从理论角度分析了超声波在碳纤维复合材料的主要衰减特性,在此基础上使用COMSOL完成了空气耦合超声波的声场仿真分析,根据声场的分布结果验证了理论分析的正确性和检测方案的可行性,同时阐明了超声波衰减的主要问题和成因,为硬件和软件系统方案设计提供重要依据;然后完成了一套基于ZYNQ7010的空气耦合超声波缺陷检测系统的硬件系统和基于QT5.13的上位机软件系统设计,最终提供了一套集成度高、扩展性好的实验检测系统;接着是针对现有的实验设备采集的信号的信噪比差和数据量大的问题,继续对所采集的超声波信号开展了信号降噪、信号提取和数据压缩相关的算法研究和分析,最终确定了以小波变换进行降噪处理和压缩感知的OMP算法相结合的方式来对超声波信号进行处理,并将这两个算法融入到上位机软件系统当中;最后使用融合了算法的检测系统来进行碳纤维复合材料的缺陷检测实验,完成了实验结果的分析,证实本文所设计的系统具备一定可行性。本文的工作为碳纤维复合材料的超声扫描成像提供了重要的工程应用思路和参考,具有一定的实用价值。