由于混凝土材料本身的复杂特性以及在设计、施工、后期保养阶段的不足,很多的混凝土构件在建造以及使用过程中,会出现一些缺陷或者是损伤,严重影响了混凝土结构物的使用安全,甚至会造成严重的恶性事故。如何能够快速精确的获得混凝土构件内部的质量情况,为评估混凝土结构物的性能提供准确的依据,显得尤为重要。近年来,在混凝土的无损检测中引入了超声层析成像技术,能够将混凝土结构检测面的质量情况、缺陷大小分布,以图像的形式精确、形象、完整的显示出来,弥补了传统混凝土检测方法的一些局限,成为混凝土结构检测的发展方向。本文从混凝土超声检测基本原理、基于射线理论的混凝土超声层析成像理论及正演反演方法、基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像方法、层析成像结果图像后处理方法及影响层析成像结果的主要因素等几个方面,进行系统深入的研究,主要研究成果如下:(1)针对混凝土测区内部波速随机分布、缺陷具有一定规律的特点,提出了一种基于Snell定律与扰动法相结合的改进射线追踪方法,以适用于混凝土超声层析成像的正演过程特点。通过对不同模型的试验结果表明,改进后的射线追踪路径更加接近真实声波路径,基于Snell定律改进的扰动法射线追踪适用于混凝土超声层析成像正演过程。(2)通过对常规混凝土超声层析成像迭代反演算法及最小二乘算法的研究,提出了适用于混凝土超声层析成像的两种改进ART算法、改进的共轭梯度算法及改进的LSQR算法。在两种ART改进算法中分别引入波速分级和成像单元逐级分块的概念;改进共轭梯度算法中引入预处理矩阵对投影矩阵进行预处理,降低投影矩阵的条件数;改进LSQR算法中通过加入阻尼因子来抑制误差造成的影响。通过数值模型及混凝土试块试验,对改进算法与原始算法进行了对比分析,结果表明,改进算法在计算速度和计算精度上都得到了提高。通过大、小两组混凝土试块内部缺陷成像结果试验及分析,验证了改进算法的有效性,成像结果图像表明,改进算法均能够较好地反映出混凝土试块内部的缺陷位置及分布。(3)针对基于射线理论的混凝土超声层析成像中由于射线稀疏、不完全造成的不适定问题,提出了一种基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像方法。在混凝土超声层析成像中,超声波的能量传播实际上是在第一菲涅耳体内,利用菲涅耳体代替射线来进行混凝土层析成像,可以增加算法对混凝土测区内的覆盖范围,从而提高层析成像反演的速度和效率,并且层析成像结果图的分辨率和可靠性也将会得到提高。通过数值理论模型及混凝土试块试验验证了基于菲涅耳体混凝土超声层析成像方法的优越性。(4)研究了混凝土超声层析成像结果图像的后处理方法以及主要影响因素。对混凝土超声层析成像的结果图像采用谱系聚类分析进行处理。混凝土试块试验表明,谱系聚类分析图像后处理方法能够很好地抑制伪像,凸显缺陷,提高结果图像的分辨率、可靠性和可读性,从而增强结果图像的缺陷识别能力。对影响层析成像结果的多种因素进行试验研究分析,从而便于选取更加稳定、适合混凝土层析成像的方法。