随着中国城镇化加速,地铁建设迅猛发展,预计到2015年底,国内地铁线路将达到158条,总里程将超过4189公里。钢轨是引导车辆前进和支撑列车运行的重要基础设施。钢轨轮廓尺寸变化反映地铁车辆安全运行的重要指标,当轮廓尺寸严重恶化,就会对运营中的地铁车辆产生安全隐患甚至导致重大交通事故。如何保障地铁线路安全运营备受广泛关注。为确保地铁安全运营,需快速、准确地检测轮廓尺寸变化。本文设计了一种车载非接触式钢轨轮廓全断面检测系统,是采用4组激光摄像式传感器作为图像采集设备,分别对左右钢轨进行检测。借助激光摄像式传感器量程大、精度高、实时性强等特点,结合高精度摄像机标定、图像处理技术和最优化数值计算方法,检测系统能够实现地铁钢轨轮廓全断面的非接触式检测。针对轮廓检测精度要求高,标定精度直接影响测量误差,因此,激光摄像式传感器标定是钢轨轮廓检测中的关键环节。在分析现有标定方法的基础上,本文研究了单个摄像机标定和全局标定,建立摄像机标定中4种坐标系,分析了各坐标系之间的相互关系,结合激光平面约束,完成了线性、非线性测量模型和全局标定模型搭建。通过标定实验,采用棋盘格标定靶标上特征点的图像坐标和世界坐标,根据最小二乘法,求解激光摄像式传感器标定参数。全断面检测系统需要对4组激光摄像式传感器采集的图像同时进行实时处理,实时性要求高,数据处理量大。为了满足不同工况下实时检测要求,本文分析了图像预处理、边缘检测方法和常用光条中心提取算法,提出改进的梯度重心光条中心提取算法,并通过实际应用。动态测量过程中,由于车辆随机振动,会影响轮廓数据精度。针对上下浮沉、左右横摆和侧滚振动对测量影响大这一状况,建立了振动补偿模型。本文将静态轮廓数据作为基准,实时获取其动态数据,计算动态检测中4组激光摄像式传感器因上面3种振动产生的平移分量和旋转分量,将其代入振动补偿模型中,减小系统测量误差。运用Windows为开发环境,对钢轨轮廓全断面检测软件进行系统设计。通过试运行,对检测系统里程定位及不同线路工况条件下钢轨磨耗数据误差进行分析,试验结果表明,检测系统在里程定位精度和磨耗数据测量精度均能够满足现场使用。