随着科学技术的日益发展，激光超声因其具有非接触、光斑小、分辨率高、光线可移动等特点，逐渐成为复杂装备表面或设备内部零件微小损伤的主要检测方法。本文针对铝板表面微小损伤的定量分析与特征提取，进行了一系列相关研究。首先，论述了激光超声检测表面损伤的原理，通过对损伤信号的特性分析，介绍了激光超声表面损伤检测的方法与实验系统的具体构成。依据实验回波信号为一种非平稳、非线性的随机信号。拟定了基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，简称EMD）的方法对损伤信号进行分析处理。针对传统EMD具有端点效应，采用了基于优化求导的经验模态分解方法（Derivative-optimized empirical mode decomposition）。DEMD算法改善了传统三次样条插值拟合求上下包络线的不足，较原方法所获取的IMFs（Intrinsic Mode Function）相关性高、均方误差低，良好的抑制了端点效应。其次，依据激励源为热弹激发的产生机理，建立了激光线源热-结构模拟仿真模型。运用DEMD的方法对数值模拟信号进行分解，并对其固有模态函数进行了时频域分析和瞬时频率分析，分析结果表明固有模态分量的时域波形与瞬时频率同裂纹深度之间存有明显的变化规律。最后，对激光超声表面损伤检测实验系统所获取的损伤回波信号，采用了基于信噪模态分选准则的DEMD降噪预处理。按照Hilbert谱与边际谱理论，对实验信号进行DEMD分解，并分别对筛选出的IMF进行了瞬时频率分析、Hilbert谱分析与边际谱分析，所得结果辨识高、特征值精确，给出了判断不同裂纹深度的定量参考标准，为表面损伤的激光超声检测提供了一定的参考依据。