超声相控阵全聚焦成像技术采用离线计算的方式分析阵列回波数据，实现缺陷的检测及评价，与常规相控阵超声检测技术相比，可实现全范围动态聚焦，成像更清晰，缺陷表征能力更强，但存在全矩阵数据量大、成像时间长的问题限制了其实际工业应用。本文采用稀疏阵列设计技术，并通过构造虚拟源，实现了基于虚拟源的稀疏全聚焦成像。同时，在单层介质全聚焦成像基础上研究了两层介质全聚焦成像特性，并通过实验对多种稀疏全聚焦方法的成像质量进行了分析。所做主要工作如下:　　(1)进行了超声相控阵成像仿真，并研究了阵元指向性函数对全聚焦方法(TFM)成像质量的影响。基于全矩阵采集模型，讨论了常规相控阵及TFM的后处理成像算法。基于FieldⅡ开展了常规相控阵及TFM的成像仿真，利用阵列性能指数对成像性能进行了定量分析，最后分析了阵元指向性函数对全聚焦方法成像质量的影响。　　(2)建立了基于虚拟源的稀疏全聚焦成像模型。结合几乎差集与遗传算法对稀疏阵列进行了优化设计，同时通过构造虚拟源代替实际稀疏阵列中的阵元，以此建立基于虚拟源的稀疏全聚焦成像模型。采集单层介质的全矩阵数据进行成像分析，定量比较了稀疏全聚焦方法、基于虚拟源的稀疏全聚焦方法、全聚焦方法的检测精度及各缺陷成像幅值。　　(3)建立了两层介质修正稀疏全聚焦成像模型。基于Fermat原理计算出超声在两层介质中的传播路径及传播时间，并对超声在两层介质的能量衰减进行了校准，实现了两层介质全聚焦成像。另外通过稀疏阵列设计技术，并以与全阵列具有相同的有效孔径为前提，建立了两层介质修正稀疏全聚焦成像模型。以弧形分布的侧边孔为例，进行了两层介质的全聚焦成像实验，结果表明对于32阵元换能器，当稀疏发射阵元数达到8时，稀疏矩阵相对于全矩阵的误差值在5.2％以内，但计算效率提高了近4倍。　　本文采用稀疏阵列设计技术，对稀疏阵列中阵元数目、位置进行了优化，发展了稀疏全聚焦算法，有效提高了全聚焦算法成像效率，并研究了两层介质的稀疏全聚焦成像，为促进超声相控阵全聚焦成像技术的工业应用提供了理论依据。