随着我国城市轨道交通的快速发展,截至2020年底,高铁的总里程已经接近四万公里,预计从2020年到2035年,高铁的总里程将会进一步增加至七万公里。钢轨在使用过程中,必定会产生磨损和缺陷,所以需要无损检测技术对钢轨质量进行评估。然而在轨道基数如果巨大的情况下,对无损检测技术的准确性和快速性提出了相应的要求。超声相控阵无损检测方法由于其不需要移动探头就可实现声束可偏转和聚焦的特性,正逐步替代传统的常规超声检测。本文以超声相控阵无损检测方法为基础,阐述了超声相控阵无损检测方法的国内外研究现状,解释了超声相控阵钢轨缺陷检测的原理。本文提出了基于超声相控阵低秩矩阵恢复的钢轨缺陷检测方法,将超声相控阵前端探头采样时间缩短,配合后端数据低秩矩阵恢复的方法,有效地减小了数据采集量提升了超声相控阵钢轨缺陷检测速率。本文主要的研究内容如下:（1）基于超声相控阵声束偏转延迟法则和聚焦延迟法则的数学公式计算,研究了如何控制超声相控阵声束经超声相控阵楔块传播在钢轨中进行偏转和聚焦,对超声相控阵在钢轨中的声场进行了仿真,验证了声束偏转和聚焦的效果。对钢轨中的缺陷检测进行了CIVA仿真,验证了超声相控阵对钢轨缺陷的可监测性。（2）研究分析了局限超声相控阵钢轨缺陷检测速率的原因,提出了物理前端探头减少采样后端数据进行低秩矩阵恢复的钢轨检测方法,设计了基于低秩矩阵恢复的超声相控阵钢轨缺陷检测系统,实现了该方法的功能。（3）将基于稀疏矩阵恢复的超声相控阵钢轨缺陷检测系统在B型便携式相控阵试块和标准伤钢轨上进行了实验验证,在相应的超声相控阵探头差分采样的方式下,能够实现缺陷的检出和相应的物理信息分析。