管材、棒材及轴类等作为在国民经济和国防建设相关领域具有广泛应用的圆柱类部件,一直以来对无损检测技术具有强烈的需求。尽管目前无损检测方法种类众多,但由于超声无损检测技术的可靠性逐步提高,并在安全性、适用性、特征参量丰富性以及与信息技术结合方便性等方面具有其他方法难以媲美的优势,已成为无损检测领域应用最广及最具发展潜力的技术手段之一。然而,随着现代工业生产规模化以及相关设备的大型化、运行高速化和使用环境极端化,圆柱类部件的种类、结构和尺寸更加多样,其用量、工作温度和工作压力进一步提高,在可靠性、实时性、定量化以及在线应用能力等方面对超声无损检测技术提出了更高的要求。为此,有必要将机电一体化与超声无损检测技术有机融合,在水浸环境及外扫查方式下实施对圆柱类部件在线超声成像,发展出一种高性能的在线超声成像检测技术,以满足圆柱类部件在线定量化质量监控的应用需求。但是,在水浸环境和外扫查方式下实施成像,面向的对象将是一种叠层圆柱结构,而声波在这种结构中的传播特性十分复杂,加之运动过程中发射和接收信号,使得衍射效应更为明显,如何确保圆柱类部件在线超声成像的分辨率,在理论和技术层面上还存在诸多的挑战。同时,实际应用中有平面和聚焦探头之分,由于两者在传播声程上存在明显差异,因而现有针对平面探头所发展起来的成像技术不适合聚焦探头的应用。基于以上背景,本学位论文结合国家自然科学基金项目“基于旋转声场的高性能自动化在线超声无损检测理论与实践研究”(N0.51175465),提出开展基于合成孔径的圆柱类部件在线超声成像理论与实践的研究。在分析无损检测领域超声成像相关技术研究现状及其发展趋势,明确圆柱结构声波传播及合成孔径成像机理的基础上,重点开展聚焦探头水浸检测场合、非均匀耦合条件以及圆柱外扫查检测方式下频域超声合成孔径成像等关键技术的研究,实现了一种应用于圆柱类部件在线定量无损检测的频域超声合成孔径成像技术,赋予其高实时和高分辨率的成像能力,并研发了一套圆柱类部件在线超声成像检测系统,进行了管类部件在线质量监控的应用研究。具体的研究工作及创新点有：第一章,阐述圆柱类部件对国民经济发展和现代国防建设的影响,以及开展圆柱类部件在线超声成像检测技术研究的重要意义,分析超声成像与合成孔径相关技术的研究现状及其发展趋势,明确目前合成孔径成像理论和相关技术所存在的问题,为本文的研究指明方向。同时,对本学位论文的研究内容及各章节进行安排。第二章,开展圆柱体声波传播机理及合成孔径成像理论的研究。在建立圆柱坐标系下圆柱体波动方程的基础上,利用变分法求得圆柱体波动方程的通解,进而明确圆柱体内声波的传播机理,并结合探头辐射声场的计算,分析确定超声成像横向分辨率随深度下降的主要因素。同时,以时域合成孔径成像的基本原理为依托,研究了合成孔径成像的频域实现方法,不仅确保高分辨率的成像能力,而且还有效提高成像的效率,为后续研究奠定必要的理论基础。第三章,提出一种聚焦探头水浸检测下的频域合成孔径成像技术。在建立相位迁移成像与时域合成孔径成像等效关系的基础上,通过分析聚焦与平面探头之间在焦平面前后的声程差异,并将这种差异转换为频域上的相位补偿,推导出聚焦探头水浸检测信号的相移逐层递推公式,实现一种基于相位迁移的聚焦探头水浸超声成像技术,解决传统相位迁移成像应用于聚焦探头水浸检测所存在的过矫正问题,有效提高成像分辨率和实时性。第四章,提出一种非均匀耦合条件下的频域合成孔径成像技术。在确定非均匀耦合介质均方根声速的基础上,通过构建非平稳滤波器,将传统方法中频谱重采样转换为混合域滤波过程,发展出一种非迭代的频域合成孔径成像技术,解决相位迁移成像技术难以在非均匀耦合条件下应用的问题,为在线成像检测技术的应用奠定必要的技术基础。第五章,提出一种外扫查方式下的均质圆柱体频域合成孔径成像技术。根据圆柱体波动方程的通解,利用傅里叶变换建立圆柱外扫查方式下检测信号模型的频域表达式,推导出均质圆柱体声场重建公式,进而利用检测信号频谱重建出感兴趣圆柱面上的声压信号频谱。同时,对该声压重建结果进行反傅里叶变换,并以t=0时刻的数据实现均质圆柱体的超声成像。另外,还开展仿真与实验研究,以证实本章方法的可行性和有效性。第六章,提出一种外扫查方式下的叠层圆柱结构频域合成孔径成像技术。根据均质圆柱体声场重建公式,结合叠层圆柱结构界面的声学效应影响,采用逐层递推的策略,利用检测信号频谱重建感兴趣圆柱面上的声压信号频谱。在此基础上,对该声压重建结果进行反傅里叶变换,并以t=0时刻的数据实现叠层圆柱结构的超声成像。另外,还开展仿真与实验研究,以证实本章方法的可行性和有效性。第七章,在完成总体方案设计的基础上,采用虚拟仪器体系结构,开发多通道超声检测仪器,并与机电一体化技术相结合,完成圆柱类部件在线超声成像检测系统的研发。同时,利用所研发的成像检测系统对管类部件开展应用研究,并结合上述各章节所提出的频域超声合成孔径成像关键技术,实现管类部件内部缺陷的在线超声成像,重点考察成像的实时性和分辨率,以验证本文方法的可行性和有效性。第八章,总结论文取得的成果和创新之处,并对未来的研究工作进行展望。