高超声速飞行器是当今各航空航天大国竞相开展研究的前沿热点，存在超高温、局部瞬时加热等极端环境的服役特征，其热防护问题对飞行器的安全起着至关重要的作用。如果先进的热防护结构在飞行器基体上的粘接质量不高，极易造成飞行过程中热防护结构破坏，产生严重后果。因此检测热防护结构胶接层的缺陷/损伤、评估粘接质量具有至关重要的作用，是保障航天器安全稳定飞行的有利保证。关于热防护系统用复合材料粘接缺陷的检测，目前尚无完善的检测标准与评价体系。　　考虑热防护结构的先进性、高可靠性和长寿命的要求，本文基于平面阵列电容成像传感机理，以高超声速飞行器热防护用复合材料结构为研究对象，重点开展了该结构与基体间粘接缺陷的成像检测与表征技术的研究。　　(1)针对热防护结构胶接层处于飞行器基体和热防护材料之间测量空间受限的问题，本文提出一种可从单平面接近被测胶接层、非接触测量粘接缺陷的可视化方法。基于平面阵列电极的电容敏感机理来反映缺陷的信息，通过图像重建获取被测物场的介电常数分布情况，实现热防护复合材料粘接缺陷的成像检测。　　(2)针对一种新型多功能多孔陶瓷基纤维轻质复合材料(当前工程应用最先进的隔热瓦)，基于能谱与核磁共振成像等方法，对其微观结构特性和力学特性进行表征分析。以隔热瓦和胶接层为测量物场，理论分析平面阵列电极对物场介电常数的敏感特性，建立阵列电极的电容量变化和缺陷特征之间的关联。仿真研究 3×4 阵列电极传感器的优化设计方法，提出了性能优化加权函数。通过有限元仿真计算边缘电场对测量物场的灵敏度矩阵并分析其分布特性。研究结果验证了所提阵列电极传感器对微小缺陷的敏感能力，相应缺陷最小直径为1mm。　　(3)为建立平面阵列电极介电常数分布和图像灰度之间的关联，研究平面阵列电极电容成像算法，实现被测缺陷的量化表征。针对平面阵列电容成像技术中单介质绝对空场、满场设定方法导致成像分辨率低的问题，提出一种以多种介质组合相对设定空场、满场的方法。为提升图像重建质量，提出一种改进初值的 Landweber 迭代重建算法，以解决迭代初值偏差的问题；为有效抑制电容测量数据噪声，利用Kalman滤波算法对测量数据进行降噪处理，提高重建图像的清晰度；采用一种改进粒子群的重建算法，解决迭代类成像算法依赖初始迭代值的问题。利用平面 3×4 阵列电极的电容成像系统，对胶接层缺陷检测进行了验证实验研究。实验结果表明本文所提图像重建算法可对胶接层缺陷进行有效成像，可辨识的孔洞缺陷最小面积为5mm×5mm。　　(4)提出一种以电容数据对重建图像的贡献率来分析数据冗余度的方法，以去冗余的数据进行图像重建而提高图像质量。针对分层重建图像离散性高导致难以判断缺陷准确信息的问题，采用主成分分析数据融合方法将分层图像进行融合来显示被测缺陷。采用计算分块分形维维数的方式实现缺陷自动定位，自动定位误差小于1mm。采用传统阈值分割技术对融合图像进行处理，实现对胶接层缺陷面积的计算。　　(5)通过对高超声速飞行器热防护系统用复合材料结构构件的测试实验研究，完成基于平面阵列电极电容成像检测方法及测试系统的可行性验证试验，为实际工程应用提供可靠的技术支撑，为进一步完善高超声速飞行器热防护结构健康监测与评估奠定坚实基础。