随着铁路向高速、高密度运行的方向发展,钢轨磨耗和表面缺陷的测量受到了广泛重视与研究。基于复合光栅的相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry,PMP)在保有传统PMP高精度优点的基础上,缩短了测量时间,提高了测量效率。本文以钢轨磨耗及表面缺陷的三维测量为目的,将传统PMP及基于复合光栅的PMP进行了仿真实现、实验验证与对比分析。同时,在铁路运用背景下,对基于复合光栅的PMP算法进行改进,衍生出基于双频率通道和2+1算法的复合光栅PMP,减小了频谱混叠,提高了测量精度。针对实际应用中钢轨表面的镜面反射,本文基于双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF),建立了在役45Mn钢轨表面的光学反射模型,分析了其反射特性和相变特性,同时提出避免高光效应的方法。通过建立钢轨表面的BRDF模型和相变模型并使用仿真软件仿真出45Mn钢轨表面BRDF值和相移与入射角及波长的变化关系,通过peaks函数、Stoilov相移算法及相位测量轮廓术验证仿真与改进结果,得出了在常用波长下确定入射角、保留相位信息避免失真的方法,以及在BRDF测量中避免高光效应的入射角度范围,为具有光滑表面的在役钢轨形貌测量及表面缺陷的三维重建提供理论指导和方法借鉴。理论仿真及实验结果表明,改进后的方法能较好的重建钢轨的三维形貌和表面缺陷,相较于传统复合光栅,测量精度有了明显提升。