通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。

传统激光超声合成孔径聚焦技术（LU-SAFT）通常需要在待测样品表面以小步长扫描来提高横向分辨率，但小扫描步长会导致总检测时间过长，影响检测效率。针对这一问题，笔者提出了基于压缩感知的LU-SAFT方法，以提升扫描效率。该方法首先使用压缩感知根据稀疏扫描点处A扫信号的最大强度恢复出全场的扫描点A扫信号最大强度，进而确定样品表面的最优扫描区域，然后在最优扫描区域内进行扫描，最后对缺陷进行SAFT图像重建。在实验中，笔者采用脉冲激光在含有缺陷的样品表面激发超声，使用激光多普勒测振仪探测超声，并利用基于压缩感知的LU-SAFT方法对样品内部缺陷进行检测，以验证所提方法的可行性。实验结果显示：针对相同的扫描区域，传统LU-SAFT需要扫查500个点，花费3.15 min；与传统LU-SAFT相比，本文所提方法在扫描点数上减少了80%，在扫描时间上缩短了80%，并且缺陷的SAFT成像信噪比提高了约42%。本文研究内容及结果可为激光超声无损检测提供更快速的检测方案。

全聚焦方法（TFM）具有成像分辨率高、缺陷表征能力强的优点，但其存在数据需求量大、计算复杂、耗时过长等问题。针对上述问题，并结合激光超声检测技术，进行了基于ZYNQ平台加速的激光超声全聚焦技术研究。首先建立了基于激光超声的全聚焦算法，并引入激光超声方向性系数进行优化；进一步，搭建了激光超声扫描检测装置进行实验验证，使用线激光源激发超声信号，利用多普勒测振仪探测回波信号；然后使用形成的激光超声全聚焦成像算法进行内部缺陷的检测和定位，并与合成孔径聚焦算法获得的结果进行比较，从而验证了算法的正确性和可行性；最后将形成的激光超声全聚焦成像算法移植到ZYNQ平台上，对激光超声全聚焦成像算法进行了并行优化及双核设计，实现了算法加速。研究结果表明：激光超声全聚焦技术相比于合成孔径聚焦技术，成像信噪比更高、定位更准确；基于ZYNQ加速的激光超声全聚焦成像算法不会降低成像质量，且耗时相比于计算机缩短了86%。

为对工件表面产生的倾斜微裂纹进行检测, 从理论上和试验上分析激光产生的宽带瑞利波与矩形铝板上的倾斜角缺陷之间的相互作用。使用瑞利波与倾斜裂纹相互作用产生的透射波、反射波以及在裂纹尖端产生的绕射波来对裂纹角度进行定量检测。通过观察有限元仿真的应力云图, 发现瑞利波沿缺陷传播, 在缺陷尖端处发生模态转换, 有一部分波沿着裂纹绕射到金属表面, 部分波反射, 还有部分转换成纵波和横波。通过对绕射波信号进行傅里叶变换, 得到频谱图并观察绕射波在频域的变化趋势, 对绕射波能量进行计算, 最终得到绕射波能量随缺陷角度增大而减小, 呈e指数衰减分布。将有限元仿真与试验相结合, 结果表明, 当表面缺陷与表面呈一定倾角时, 绕射波能量提取是检测表面裂纹倾斜角的一种有效的方法。

为利用激光超声技术实现管道缺陷的定量表征，应用有限元方法分析被激光辐照金属管道表面产生的超声波与管道缺陷相互作用的过程。通过传播图像探究超声波在传递过程中的模式转换，在远场激发的方式下，分别探讨不同高度、宽度以及角度的缺陷对激光超声波的影响，结合接收点的位移信号分析超声波与缺陷作用的复杂过程，并应用惠更斯原理分析其产生的原因，最后提出一种管道缺陷定量表征的方法。通过试验研究对理论结论进行验证。试验研究和理论结论表明，缺陷位置可通过表面波遇到缺陷后产生反射回波信号的接收时间定量表征，缺陷深度可通过缺陷底部产生反射表面波信号的接收时间定量表征，缺陷角度可通过缺陷底部表面波转化纵波信号的接收时间定量表征，为逆向推算缺陷的尺寸奠定了理论基础。

金属增材制造技术具有高效成型、节省材料和短加工周期等优点，能突破传统制造工艺的局限生产出空间结构复杂的构件，深受汽车工业、航空航天和医疗器械等领域的青睐。然而，增材制造技术在成形过程中产生的未熔合、裂纹和孔洞等缺陷限制了增材制造技术在工业上的推广与广泛应用。因此，金属增材制造产品的质量控制特别是在线监测具有重要意义。超声检测是材料内部缺陷最常用的手段。相较于传统超声无损检测技术，激光超声无损检测具有非接触、灵敏度高和适用于恶劣环境等优势，可以实现快速在线监测。本文扼要地介绍了金属增材制造和激光超声无损检测的技术特点，分析了激光超声的两种作用机制，简单地介绍了激光超声无损检测的原理和检测系统的搭建，系统地总结了国内外激光超声无损检测在普通金属材料和增材制造材料上的应用进展，并对激光超声无损检测技术应用于增材制造过程进行了展望。

为了在钢板生产过程中实现钢板内应力的在线非接触无损检测，研究了基于激光超声导波的钢板内应力检测方法。搭建了激光超声导波应力测试装置，开发了相应的信号采集、处理及分析软件，组建了激光超声应力检测实验研究平台。通过拉伸加载装置，给实验试样两端施加预先计算的拉伸载荷，实现了所需要的各种工况下的钢板内应力场。通过激光超声检测单元采集各种载荷下的激光超声导波信号，实验研究了激光超声导波对钢板内应力的表征能力与关联规律。实验结果表明，脉冲激光可以在硅钢板中激发出以A0模态为主的宽频激光超声导波；激光超声导波相速度随拉力的增大而增大，群速度随拉力的增大而减小；拉应力与激光超声导波信号的首波超前时间差和波包延迟时间差都存在明显的线性关系。激光超声导波检测方法可用于带钢内应力的非接触无损检测，有可能成为钢板带内应力在线检测的新方法。

为了表征激光熔覆涂层的弹性模量，提出了一种基于激光超声表面波技术的无损表征方法。首先，建立了表面波在涂层-基体两层结构中传播的理论模型，通过理论求解表面波的波动方程，得到了带涂层结构的表面波理论频散曲线。其次，通过激光超声设备在激光熔覆涂层不同区域采集表面波信号，并利用二维傅里叶变换得到了表面波的实验频散曲线。为了求解表面波传播的逆问题，得到涂层的弹性模量，采用非线性回归方法，通过最小化实验频散曲线与理论频散曲线之间的差异，确定了涂层不同区域的弹性模量。根据涂层上不同区域弹性模量的差异，可反映出激光熔覆涂层组织的不均匀性。利用激光超声表面波技术评价激光熔覆涂层的弹性模量，具有一定的工程应用价值，可为改善激光熔覆工艺提供技术保障。

超声成像检测（UID）技术具有检测结果直观等优势，是无损检测领域未来的主要发展方向之一。相比传统超声检测方式，激光超声因具有非接触式的特点成为重要检测手段。时间反转成像法可实现时间和空间的自适应聚焦，在非均匀介质中对目标的定位和检测具有广阔前景。介绍了以时间反转法为主的几种典型超声成像方法，对比分析不同成像算法的结果，介绍了超声成像领域常用的仿真软件。以激光超声为切入点对比常规超声，给出了现代超声检测技术概况和国内外先进的工业超声成像检测仪器设备概况，并对未来的成像检测技术进行了简要分析和展望。