预计到2020年,我国铁路网规模将达到15万公里之多,中国轨道交通骨干运输网已经形成。轨道交通的发展将由建设逐步转入长期安全维护管理阶段。钢轨作为轨道交通基础设施,不仅要承载列车动载荷,还要经受自然条件对其影响。运用先进的传感检测技术对钢轨服役状态进行实时检测,掌握其状态演变规律是铁路基础设施维护和管理的必然选择。尤其是基于激光摄像技术在轨道不平顺检测中的应用,实现了轨道非接触式测量。基于激光摄像技术测量具有精度高、量程大、主动受控等优点,是未来轨道检测技术发展的必然方向。随着先进传感器技术的发展,高速二维激光位移传感器(2D)也被广泛应用在轨道检测系统中,实现了轨道高速、实时、高可靠测量。但是,随着列车运行速度的不断提升、乘客舒适性要求越来越高,这对轨道质量的控制也提出了更大的挑战。为满足铁路发展及乘客需求,研发更高精度、更高可靠的检测系统还需广大科研工作者不断努力。轨道检测系统涉及光学、信号处理、计算机科学、仪器科学、电气工程等诸多学科,需要解决的实际难题非常复杂,为研究解决这些难题,本文主要采用了现场试验-算法优化-现场试验的研究技术路线,对以下检测系统中关键性技术进行了研究:(1)研究模拟和数字混合滤波技术,轨道不平顺参数是里程的函数,以空间采样方式实现数据采集,由于受检测速度变化的影响,空间采样信号将得到在时间域的非均匀采样序列,该序列会通过具有固定截止频率的模拟抗混叠滤波器,而该滤波器在空间域的滤波特性将会发生移变,对空间信号会产生移变和衰减现象。本文在研究这种移变和衰减机理的基础上,研究了去移变补偿数字滤波器的设计,从而推导出任意阶次移变补偿滤波器设计计算公式,通过公式即可得到所设计滤波器传递函数,有效解决高阶移变补偿滤波器设计困难的问题。(2)研究检测系统中误差修正与补偿技术,在检测系统中,从轨道不平顺各参数检测原理可知,检测梁的振动补偿问题是误差修正与补偿技术的难点。本文基于Kalman滤波原理,通过建立检测梁上陀螺仪与倾角仪信号的观测模型及检测梁状态转移模型来对检测梁的侧滚振动姿态进行跟踪补偿。根据多次试验来对模型进行优化,最终达到系统各参数检测补偿的效果。(3)研究描述钢轨磨损程度的计算算法,目前计算钢轨磨耗采用钢轨顶面宽1/3处和轨顶踏面下16mm处进行计算。由于车轮对钢轨的磨损往往是发生在轨头一定区域范围内,用这种单点计算磨耗值不能准确描述整个轨头磨损情况。本文正是针对这一不足点,对钢轨磨损检测算法进行了研究。提出了钢轨轮廓特征曲线的概念及基于中值误差与连续度自适应调整权值的平滑滤波算法、最后定义了能描述整个轨头磨损全貌的磨耗计算新方法。最后,把以上研究成果应用在现有轨检设备中,依托轨检车硬件设备,在后端集成了轨道不平顺的合成算法软件,通过现场设置轨道病害的方式验证了算法的有效性,并成功应用于城市轨道交通。