声波层析成像技术是利用声波在不同介质中的传播速度差异，来获得物体内部结构信息的一种技术。自从声波技术被应用于木材缺陷检测以来，已经开发出了多种层析成像算法，这些算法可以构建出二维声速地图，作为树木内部状况的科学证据。然而，之前提出的许多算法都基于声波在树木截面中沿直线路径传播的假设。为了更真实地模拟声波传播，本文提出了一种基于混合波传播模型的声波层析成像方法，该方法包括两个速度反演阶段：直线射线反演和曲射线反演。首先应用直线射线反演获得初步的速度分布，然后通过曲射线反演对速度分布进行细化。每经过一次反演迭代，都会确定每个网格单元的速度校正因子，然后用于计算每个对应单元的新速度值。对新计算出的速度值施加最大和最小速度约束，并且施加一些网格单元的速度约束，以解决速度反演中普遍存在的非唯一性问题，并生成更精确的层析图像。
混合波传播模型（HWPM）结合了直线射线反演和曲射线反演两个阶段。直线射线反演是在一个简化的声波传播模型上进行的，它假设声波在介质中沿直线路径传播。然而，实际的声波传播路径往往更复杂，它可能会在传播过程中发生反射、折射和散射等现象。因此，在直线射线反演基础上，通过曲射线反演进一步精确化，考虑了声波在不同介质中的实际传播路径，从而提高了成像的精度。
在曲射线反演中，声波速度场的校正是一个关键步骤。通过对每个网格单元的速度校正因子的应用，可以得到更精细的速度分布。这些校正因子是根据每次迭代结果计算得出的，它们能反映声波通过不同介质时速度的变化。此外，速度校正因子还需要经过一定的约束条件，如最大速度和最小速度的限制，以及针对特定网格单元的速度限制，以解决反演过程中的非唯一性问题。非唯一性问题是指同一组数据可以对应多个解的情况，这在声波成像中是常见的。通过这些约束条件，可以获得更加准确和唯一的声波层析成像。
声波层析成像技术在城市树木检测中的应用具有重要意义。城市树木的健康状况关系到城市生态环境和公共安全，但树木内部的病变往往不易直接观察到，因此需要依赖一定的检测技术。通过声波层析成像技术可以检测树木内部的病变，如树木内部的空洞、腐朽等衰落现象，从而在早期发现并采取相应的保护措施，避免树木倾倒等事故的发生。这对于保护城市树木、维护城市生态平衡具有重要作用。
实验部分，本文选择了三个短木段（一个未处理和两个含有仿真缺陷）在实验室进行多路径声波测试，并选择了位于中国江苏省扬州市瘦西湖公园的四棵活体树木进行实地测试。通过PiCUSTomograph工具收集了声波传播时间数据，并利用这些数据生成了声波层析图像。实验结果验证了混合反演方法的有效性，并展示了该技术在实际树木衰落检测中的应用潜力。
基于混合波传播模型的声波层析成像技术为树木内部衰落的检测提供了一种新的方法，通过更精确地模拟声波在树木内部的传播，可以有效地检测出树木内部的缺陷，对于城市树木健康管理提供了科学的数据支持。
