超声波检测是无损检测领域重要的检测方法之一,在工业和医学等领域得到了广泛的应用。但由于超声信号本身频率高,若按照传统的采样方法,采样频率将高达几十兆赫兹以上。此外,为提高检测量化精度,往往要求使用更高频率的超声波,再加之超声检测逐渐向阵列化等多传感器形式发展,海量数据对信号采集、传输、存储提出了更高的要求。针对这一问题,一些学者提出了有限新息率(Finite Rate of Innovation,FRI)采样方法,并将其应用于超声信号的稀疏采样,可以有效地减少采集数据量。然而,该方法目前尚处于理论研究和仿真阶段,相关的硬件实现研究很少,且在实用性、通用性上仍存在一定局限。为此,本文以FRI采样理论为基础,开展针对超声信号稀疏采样理论与硬件实现方法研究。论文对现有FRI稀疏采样理论与重构框架进行了对比分析,选择以指数再生核为采样核进行超声信号的稀疏采样理论及硬件实现方法研究。理论上,通过建立了基于指数再生核的超声信号稀疏采样与重构框架,避免了常规采样核需要对信号进行周期延拓带来的硬件实现复杂性问题,并提出了一种脉冲位置任意的指数再生核采样新方法,弥补了现有指数再生核稀疏采样方法的不足;硬件上,建立了指数再生核硬件实现框架,设计了超声信号指数再生核稀疏采样硬件系统,实现了脉冲位置任意超声信号的物理稀疏采样,并在管道缺陷检测平台上进行了实际测试试验,得到了稀疏采样数据,极大地减少了采集数据量,通过对实测数据进行参数估算,准确获取了超声回波信号的特征参数,验证了该稀疏采样方法及其硬件系统的有效性。论文主要研究工作及结论如下:1)在详细阐述和分析FRI稀疏采样理论的基础上,对比分析了不同采样框架及采样核的特点,在已有稀疏采样框架的基础上,建立了一个面向超声信号的改进型指数再生核稀疏采样理论框架,为硬件实现该稀疏采样方法提供了理论支撑。2)指出了现有指数再生核采样方法采样时信号脉冲回波时域位置受限的问题,并分析了产生这一问题的原因。在此基础上,提出了一种新的指数再生核稀疏采样方法,该方法能够在不增加采样点数的情况下,实现脉冲时域位置任意信号的采样与重构,并通过仿真试验验证了该采样方法的有效性,进一步拓展了该稀疏采样方法的适应范围。3)在分析指数再生核性能结构的基础上,提出了一种基于模拟有理核与数字有理核相结合的指数再生核硬件实现框架,分析了该框架下的指数再生核参数约束条件和参数选择方法。设计并制作了模拟有理核硬件电路,结合相应的软硬件设计实现了基于指数再生核的超声信号物理稀疏采样,获取了超声信号的稀疏采样数据。4)搭建了管道缺陷超声检测试验平台,在试验中用160KHz的采样率实现了中心频率5MHz的超声信号的采样,采样率仅为常规Nyquist采样方法的1.6%(对应的Nyquist采样率为10MHz),并准确重构了超声回波信号特征参数,采样率和数据量都得到了有效的降低。