无砟轨道结构是我国高速铁路的主要结构形式,其隐蔽性缺陷严重威胁行车安全。本文针对无砟轨道隐蔽性缺陷的快速与精确成像问题,提出了高铁无砟轨道多层结构的超声SAFT成像方法,克服了传统混凝土超声SAFT成像方法仅适用于单层混凝土结构的局限性,实现了隐蔽性缺陷的精确快速成像。具体研究内容如下:(1)研究了基于RMS-SAFT的成像方法,实现了无砟轨道多层结构的成像。研究了传统时域SAFT成像方法的理论基础,分析了传统时域SAFT成像方法的局限性。提出了适用于无砟轨道多层结构的均方根速度声时计算模型,比较了该模型的计算结果与理论解析计算结果的差距,在此基础上,构建了RMS-SAFT成像检测方法。通过三维有限元仿真和足尺寸模型实验,证明了RMS-SAFT相比于传统时域SAFT在无砟轨道结构检测上具有更高的成像精度。(2)研究了基于RR-SAFT的成像方法,实现了无砟轨道多层结构精确成像。建立了射线追踪反向声时计算模型,利用对折射点的迭代运算寻找像素点对应的超声波传播时间,计算结果与理论解析计算结果一致。将该声时计算模型与时域SAFT融合形成了RR-SAFT成像检测方法。通过三维有限元仿真和足尺寸模型实验,证明了RRSAFT比RMS-SAFT检测精度更高,但是RR-SAFT算法复杂度高,耗时长。(3)研究了基于RF-SAFT的成像方法,实现了无砟轨道多层结构快速精确成像。建立了基于射线追踪正向声时计算模型,利用超声波在无砟轨道结构内的传播路径直线方程和基于Bresenham算法的声时匹配算法快速计算超声波旅行时间,计算结果与理论解析计算结果一致。形成了RF-SAFT成像检测方法。通过三维有限元仿真和足尺寸模型实验,证明了RF-SAFT与RR-SAFT具有相同的高精度检测性能,并且具有更快的成像速度。SAFT成像方法的计算精度依赖于声波旅行时间的精确计算。然而,混凝土传统SAFT成像方法没有考虑超声波在无砟轨道多层结构中复杂的传播路径,声波旅行时间难以精确计算。本文为针对该问题,提出了RMS-SAFT、RR-SAFT和RF-SAFT成像方法,并分别通过有限元和实验分析验证了三种方法的可行性,其中RF-SAFT成像方法更能够适应于无砟轨道结构内部脱空缺陷的快速精确成像检测。本文的研究工作为无砟轨道结构和多层介质结构的成像检测提供了理论基础和实践指导。