超声波无损检测中的层析成像技术，作为一种先进的检测技术被广泛应用于混凝土结构的内部质量检测中。为了能够得到更加清晰、准确地反映混凝土内部结构的图像，本文分别对混凝土超声层析成像检测系统及其层析成像算法进行了研究与改进。 本文从超声检测方法的现状出发，分析现有检测设备存在的问题，设计了一种新的混凝土超声层析成像无损检测系统。该系统采用稀土超声换能器作为发射源，具有大功率、宽频带、短余震的优点，可以用于大型工程中的大体积混凝土结构的无损检测；采用24通道数据同步接收，提高了现场工作效率，同时可以保证数据采样位置的精度，从而保证了层析成像的精度；采用改进的图像重建算法，提高了图像重建的速度和精度。 论文通过对常规超声层析成像算法的分析研究，提出了两种改进的图像重建算法：从概率角度改进的IART算法和塔式ART算法。通过数值模拟和混凝土试件试验研究结果表明：与传统ART算法相比，IART算法反演精度高，图像重建能力强：塔式ART算法重建图像速度快。两种算法都适合以射线理论为基础的层析成像。而且算法的正确性和有效性在实桥检测中得到了验证。 超声波在混凝土中的传播特性以及混凝土本身的不均匀性，使得超声波的实际传播路径发生弯曲。因此，论文还将线性走时插值(LTI)射线追踪算法引入混凝土超声层析成像中。数值模拟和试验研究表明，LTI算法的引入，进一步提高了图像重建的精度和质量。