混凝土是当今最基本的建筑工程材料之一,混凝土材料内部本身就存在一些微孔以及裂缝,然而在工程进行的过程中,混凝土结构中还会因施工不当出现类似气孔以及夹石等其他缺陷。这些缺陷不但影响整个混凝土结构的耐久性,而且极可能影响整栋建筑的安全性。混凝土超声层析成像技术,可以以图像的方式反映混凝土结构内部层析面上结构,使定量研究缺陷位置,大小以及性质成为可能,是混凝土探伤领域由无损检测阶段向无损诊断阶段发展的必要手段。针对这一综合性课题,本文从混凝土超声层析成像的理论基础、正演射线追踪方法以及反演算法等方面进行了深入的研究,主要工作内容如下:首先,整理国内外相关文献,概述声波在混凝土介质中传播特性以及混凝土超声检测的基本方法,介绍层析成像数学基础,探讨适用于混凝土介质的层析成像方法并且阐述该方法的模型,方程以及具体系统流程。然后,针对超声波在混凝土结构中传播路径不为直线这一特点,研究与之相符合的射线追踪技术。在分析传统技术的不足后,引出两种精度较高的新型射线追踪技术,即最短路径射线追踪方法以及线性插值射线追踪方法,并且详细介绍这两种方法的原理、模型与步骤。通过数值模拟,对上述两方法进行射线追踪的结果进行比较,发现使用线性插值方法进行追踪所得结果准确度更高并且计算时间较少,因此本文也选取该方法对射线进行追踪。最后,分析层析成像反演方程的特点,得知不能通过古典方法对该方程进行求解。阐述多种常用迭代反演求解方法的原理以及步骤,包括LSQR方法,ART方法,SIRT方法以及SART方法。通过分析这些方法的特点与不足,提出一种改进的SART方法,该方法以简单反投影法的结果对SART方法的更新公式进行加权同时增加合适的松弛因子,从而提升算法速度以及重建结果精度。通过数值模拟,比较SART方法以及改进的SART方法结果,得知其结果符合预期,改进的SART方法算法速度更快并且重建结果更优。