钢轨结构状态的有效监测对确保钢轨的服役性能以及高铁的行车安全十分重要。本文采用基于超声导波的损伤检测方法,对钢轨结构健康监测系统进行研究,实现了对钢轨轨腰处损伤的定位。本文主要的研究工作如下:(1)以钢轨损伤监测为研究对象,对已有的钢轨监测系统设计方案进行了研究和改进,选用了超声导波钢轨损伤检测方法,提出了系统的需求和实现方案。以兼顾性能和低功耗的设计理念,分模块完成了系统的开发。选用JN5148作为主控芯片和无线传输芯片,选取压电陶瓷作为超声导波换能器,搭建Mesh状无线传输网络实现数据的无线传输。对系统的传感器节点、路由节点和协调器节点进行了详细的软硬件设计,详述了各部分的工作过程。(2)针对超声导波在钢轨结构中由于频散现象造成的特征提取困难的问题,通过理论分析和有限元仿真方式,从导波模态数量、模态混叠、系统串扰影响等角度对轨腰处导波的传播特性进行分析,得到合适的导波激励频率和导波传播距离。实验表明,轨腰处导波响应信号在该激励频率和传播距离下比较容易进行特征提取且受模态混叠以及串扰影响较小。(3)根据钢轨轨腰中不同激励频率下不同传播距离超声导波的传播特性,设计了适用于轨腰区域损伤监测的传感器阵列方式,确定了监测信号的激励频率。结合时间反转理论,提出一种基于时间反转原理的散射信号增强与损伤定位方法。该方法从叠加放大损伤散射信号的思路出发,通过时间反转聚焦的方法对损伤散射信号进行增强放大,提高信号信噪比。通过有限元仿真分析和实验对该方法进行了验证,实验结果表明该方法可以有效提高损伤散射信号能量,对轨腰损伤定位误差在5%以内。