提出了一种可用于空气中障碍检测的稀疏超声相控阵设计方案。结合声柱与圆形活塞式声源的远声场声学特性，得到了稀疏超声相控阵的阵列因子和元方向图，并对相控阵远声场输出特性进行了建模。通过对不同阵元尺寸、间距、数目等参数的稀疏超声相控阵声场特性的仿真，分析了各参数对声场特性的影响，选择了直径为16mm的压电超声探头作为阵元。为解决稀疏超声相控阵列声场中出现栅瓣的问题，设计了发射阵列与接收阵列上下交错排列的排布形式。发射阵列由8个阵元组成，阵元间距为双倍波长;接收阵列由5个阵元组成，阵元间距为三倍波长。设计的阵列比单列阵列结构更加紧凑，可有效消除栅瓣和抑制旁瓣，横向分辨率达到4.09°，扫描范围由30°扩大到50°，达到了优化输出声场的目的。　　根据稳健设计的相关理论，给出了稀疏超声相控阵列的稳健设计思路，以降低相控阵对温度测量误差、安装误差以及换能器个体差异对声场特性的影响。经过多次正交试验，对相控阵的发射阵列间距和接收阵列间距进行了微调，调整后的发射阵列间距为17.8mm，接收阵列间距为25.1mm。采用幅度加权变迹技术优化数字波束成形效果，通过伪逆迭代算法逆向获得超声相控阵的驱动向量、回波信号幅值加权以及延迟相位，使得旁瓣与主瓣比值降低约4％、半波束宽度平均缩小约1cm，偏转方向声压提高约1Pa。　　最后，给出了基于FPGA的稀疏超声相控阵数字波束成形总体设计方案，采用PSpice仿真工具对设计电路进行多次仿真调整，最终得到了单通道发射电路和接收电路的设计方案，并完成了实物的制作。