随着轨道交通系统与铁路系统的发展,安全性必须处于首要考虑地位,钢轨探伤则是保障列车安全运行的必要环节。当前我国钢轨探伤基于传统的超声波检测技术,在钢轨轨底区域存在探伤盲区,容易造成漏探、误判。而超声导波无损检测技术具有检测距离长、全截面检测、检测效率高等优势,特别适用于细长型构件的检测,若能将其应用于钢轨探伤中,对保障铁路与轨道交通系统的安全运营以及提高基础设施检测水平具有重要的理论与现实意义。本文结合理论研究、数值仿真与实验研究对超声导波钢轨轨底无损检测技术中导波激发、传播、接收、信号处理的相对完整流程进行了研究。对超声导波在钢轨轨底中传播特性的研究是实现导波探伤的前提。本文利用半解析有限元法求解60kg/m制式钢轨的频散曲线;将不同区域钢轨类比为相应厚度的板,分析了板中兰姆波的传播特性,结合仿真与实验得出轨底特定激发方式下的导波模态与板中lamb波的反对称模式具有高度相似性;同时对轨底导波的传播进行了有限元仿真,直观呈现了导波在钢轨轨底的传播过程,优选了适合轨底导波探伤的频率范围与导波模态;考虑到现场扣件对轨底的约束,将扣件等效为弹簧单元,研究了扣件对轨底导波传播的影响。论文通过有限元仿真研究钢轨轨底不同损伤与导波的相互作用规律,用于指导导波钢轨轨底探伤实验。仿真中优选适合于轨底裂纹损伤检测的激发位置与激发方向;分别设置沿不同方向梯度增长的裂纹来探究导波对轨底不同方向裂纹的敏感度;模拟呈现了轨底多损伤在特定位置下的导波干涉现象;同时以单元刚度折减的方式模拟了核伤,分析了导波对轨底核伤检测的有效性。基于理论与仿真研究设计了钢轨轨底导波损伤检测的实验方案,在轨底制造了不同大小人工裂纹,优选出最适合于轨底检测的导波接收换能器,实现了对轨底3mm裂纹的损伤识别及损伤定位,实验验证了超声导波对钢轨轨底探伤的有效性。超声导波信号处理与损伤识别是实现钢轨轨底探伤的重要环节之一。本文研究了傅里叶变换带通滤波的信号去噪方法,并将短时傅里叶变换以及小波变换应用于超声导波信号处理,均能有效识别3mm轨底损伤,但判断存在一定主观性,同时由于导波在钢轨中的衰减性导致在长距离损伤检测中对弱信号的识别也是难点之一,基于此开展了基于Duffing阵子的混沌弱信号导波检测方法的研究,发展了多频激励混沌阵子弱信号检测系统,构造时移窗函数并通过Lyapunov指数和分维数作为损伤判断因子,实现定量指标识别损伤及损伤定位,并开发了检测系统的图形用户操作界面,以助于推广混沌检测系统的实际应用。