随着城市基础设施的快速发展以及对大规模土木工程需求的增加，越来越多的混凝土结构被建造并投入使用。随着时间的推移，这些结构不可避免地会受到机械载荷、环境因素和材料老化的影响，从而导致各种形式的损伤。在早期阶段检测和评估这些损伤对于确保结构安全、降低维护成本和延长使用寿命至关重要[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。
在不同类型的损伤中，裂纹尤其具有挑战性，因为它们直接影响到混凝土的机械完整性和耐久性。与其他缺陷相比，裂纹的特点是形状细长且传播路径不规则。这些特性给精确检测和成像带来了相当大的困难，尤其是当裂纹较窄或深度嵌入时[9,10]。过去几十年中，已经逐渐开发出许多先进的混凝土结构裂纹识别技术。表1总结了常用的主要方法。值得注意的是，每种方法都有其优势和局限性。例如，目视检查可以快速且高分辨率地识别缺陷，但通常仅限于表面级别的缺陷；而超声成像则能提供关于表面和内部损伤的宝贵信息，但通常作为一种局部监测或检查技术使用。选择合适的方法取决于检查/监测任务的实际需求。
本研究聚焦于超声（或称为应力波）成像技术。该技术依赖于从多个位置获取裂纹散射波，然后利用数学成像算法重建缺陷信息。常用的成像技术包括A扫描、B扫描和C扫描[[42], [43], [44], [45], [46]]、合成孔径聚焦技术（SAFT）[[47], [48], [49], [50], [51]]、全聚焦方法（TFM）[[52], [53], [54], [55], [56]]、相控阵（PA）[[57], [58], [59], [60], [61]]以及逆时迁移（RTM）[[62], [63], [64], [65], [66]]。Tseng等人对这四种超声成像技术在混凝土结构中的应用进行了全面比较[67]。Jain和Patankar应用传统的B扫描方法来检测混凝土中的缺陷、孔隙和钢筋位置[68]。然而，这种方法受信噪比（SNR）的影响较大，且横向分辨率较低。SAFT通过延迟求和处理形成了一个虚拟的大孔径，从而改善了B扫描技术。B扫描中的脉冲回波信号可以在其衍射或反射位置重新聚焦，从而提高重建图像的横向分辨率。与这两种技术相比，TFM通过使用传感器阵列从检测介质中获取全矩阵捕获（FMC）数据，进一步提高了成像分辨率。Kwon等人证明了该方法在混凝土缺陷检测中的良好性能[69]。随着工业超声技术的发展，出现了相控阵探头，它们可以将传统的单探头SAFT发展为多探头SAFT，并结合了TFM技术。Lin等人利用配备48个传感器的超声设备对混凝土板内的单层剥离进行了成像[70]。最近，一些研究人员将他们的研究扩展到了多裂纹场景。Reyaz等人使用平面波成像方法测量和追踪混凝土中的多线性裂纹[71]。Suhaib和Beniwal测量了水平和倾斜混凝土裂纹的长度和角度[72,73]。尽管已经做出了许多努力，但在传感器数量有限的情况下，超声成像技术仍然难以有效处理混凝土中的裂纹，尤其是在多裂纹场景中。
时间反转（TR）概念最早由Fink在1992年提出[74]。这是一种基于波动的技术，在无损检测（NDT）和结构健康监测（SHM）领域受到了广泛关注，因为它具有独特的自聚焦特性[[75], [76], [77]]。时间反转的核心原理在于无损耗或弱耗散介质中波动方程的时间对称性。通过记录初始源产生的波场，然后对信号进行时间反转并重新发射回介质中，波前会重新追踪其原始路径并在初始源位置重新聚焦。这种自然的聚焦效应使TR能够补偿复杂的散射和多路径传播，使其特别适合于在混凝土等异质材料中成像和定位缺陷。Kocur等人将TR建模应用于混凝土立方体中的声发射定位[78]。到目前为止，已有几项研究探索了TR技术在混凝土结构缺陷成像中的应用[[79], [80], [81], [82], [83]]。然而，这些研究主要集中在缺口或孔洞类缺陷上，而裂纹在几何形状上与它们有显著差异。在混凝土结构中，裂纹是最常见的损伤类型。
为此，本研究提出了一种改进的TR成像方法，用于高分辨率识别混凝土裂纹。详细解释了TR理论的基本原理和传统成像方法的局限性，并定义了一种新的成像函数，以解决传统方法在裂纹成像时固有的焦距时间变化问题。为了验证所提出方法的可行性，在具有不同裂纹形状和数量的混凝土试件上进行了实验研究。将所得图像与传统方法获得的图像进行比较，以突出所提出方法的优势。
