由于轮轨滚动接触疲劳导致的钢轨顶面裂纹伤损,会降低钢轨的使用性能,危害高速铁路运行安全。为了防止钢轨断裂故障发生,需要对服役状态下的钢轨进行在线快速无损检测,及时准确地发现裂纹并进行检修维护。采用电磁方法以非接触方式快速扫描检测钢轨顶面裂纹,能弥补常规超声技术难以检测表面和近表面裂纹的不足。利用电磁感应激励的热成像方法具有检测分辨率高、大面积快速检测和多物理响应特征丰富的特点,对于微小裂纹和连续多裂纹的检测具有优势。本文在漏磁检测和涡流脉冲热成像技术基础上,开展了钢轨顶面复杂形状斜裂纹和自然疲劳裂纹的多物理电磁及热成像无损检测技术研究。论文的主要研究工作如下:(1)针对扫描速度对钢轨顶面裂纹漏磁检测的影响问题,研究了铁磁性材料磁化过程和磁场速度效应,建立了快速运动漏磁检测的磁路磁阻模型和运动磁场趋肤效应模型,通过数值仿真和实验研究验证了扫描速度对裂纹漏磁检测的影响机理。数值仿真了速度效应引起的材料磁导率减小时,表面开口裂纹漏磁信号幅值的变化规律。在此基础上,对0-50m/s测试速度下多种类型表面开口裂纹和近表面埋藏缺陷开展了快速运动漏磁检测实验验证。与仅考虑动生电涡流效应影响的传统模型相比,研究成果加深了对运动磁场速度效应影响机理的理解,能够为漏磁检测结构的优化设计和在线快速应用提供理论依据和技术支撑。(2)针对单个磁传感器获取复杂形状斜裂纹漏磁场信息不全面和成像检测困难问题,提出了三维漏磁传感阵列扫描成像裂纹检测方法。数值仿真了横向、斜向、V形和连续多裂纹的三维漏磁场成像特征与裂纹几何形状的关系,得出磁阵列传感器的提离和感应面积与裂纹漏磁成像检测灵敏度和分辨率的关系规律。提出了复杂形状斜裂纹的漏磁场特征分析提取方法,仿真得到了三个坐标平面上不同磁场矢量方向的漏磁信号特征与斜裂纹扩展方向及角度的关系。在不同速度下对多种类型表面人工裂纹(宽度最小200um)和钢轨自然疲劳裂纹(宽度约20um)试件开展了实验验证和在线测试。研究成果能够为钢轨顶面复杂形状斜裂纹的三维漏磁阵列扫描成像检测及信号特征提取提供理论依据和技术指导。(3)针对钢轨顶面自然疲劳裂纹的成像检测难题,通过集成漏磁检测和涡流脉冲热成像的各自优势,提出了多物理电磁脉冲热成像裂纹检测方法。采用铁氧体磁轭式激励结构在钢轨顶面产生均匀分布的电磁热多物理场,运用红外热像仪测量表面温度分布,实现了对自然疲劳裂纹的高分辨热成像检测。数值仿真了电磁热多物理场耦合效应,得到了磁力线、电涡流的方向性以及电磁热效应与裂纹走向的作用机理。在此基础上,对复杂形状人工斜裂纹和自然疲劳裂纹钢轨试件开展了电磁脉冲热成像检测实验验证,通过多物理响应信号特征提取对裂纹的几何形状、扩展方向和深度进行检测识别。对比分析了磁轭提离、速度和不同激励结构对电磁脉冲热成像裂纹检测的影响。研究成果能够为钢轨顶面自然疲劳裂纹的多物理电磁及热成像检测应用和量化评价提供理论依据和技术指导。(4)针对钢轨顶面的表面状态及环境因素引起热发射率变化对电磁热成像裂纹检测的影响问题,提出了红外与光学图像融合的热发射率校正方法。首先,采用红外热像仪和光学相机同时对钢轨顶面进行红外和光学成像,分析了两种图像的谱相关性,利用反射率来推测热发射率以进行红外图像校正。其次,研究了NDVI校正方法,利用红外和可见光波段的发射率归一化比值变换,获得局部位置的反射率占比推测热发射率校正系数,一定程度上抑制了发射率的影响。再次,研究了谱相关图像融合校正方法,利用红外和光学图像分别与发射率和反射率的关系,计算获得不变的校正系数,实验结果和对比分析表明该方法校正后的红外图像能准确反映物体表面的温度分布,有效消除了表面热发射率的影响。本文的主要贡献与创新点:(1)研究了铁磁性材料磁化过程和磁场速度效应,建立了快速运动漏磁检测的磁路磁阻模型和运动磁场趋肤效应模型,通过数值仿真和实验研究验证了扫描速度对裂纹漏磁检测的影响机理。(2)提出了钢轨顶面复杂形状斜裂纹和自然疲劳裂纹的三维漏磁传感阵列扫描成像和电磁脉冲热成像检测方法,通过仿真、实验和应用测试研究,证明了上述方法能够显著提高微裂纹的检测能力和效率。(3)提出了红外与光学图像融合的热发射率校正方法,有效消除了表面状态及环境因素引起热发射率变化对钢轨顶面裂纹电磁热成像检测的影响。上述研究成果能够为多物理电磁及热成像钢轨裂纹无损检测仪器研制及其在线应用提供理论依据和技术支撑。