基于羟基标记示踪速度测量技术，研究了基于该技术中激光光解水产生的OH^-进行温度测量的双色平面激光诱导荧光（PLIF）方法和荧光强度测温方法，进而开发了一种新的速度、温度同时测量技术，并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验证。在室温至900 K的温度范围内，与热电偶温度测量结果比，基于光解OH^-的双色PLIF温度测量的平均标准偏差为12.1 K，基于光解OH^-荧光强度的温度测量最大偏差为16.8 K，速度测量不确定度在1%以内。在超燃冲压发动机流场中，利用CARS温度测量数据作为温度测量标定点，获得了标记线上温度、速度的同时测量结果，其中所得温度与CARS温度测量结果的最大偏差为44 K。

为了保证燃烧流场羟基(OH)示踪速度测量的精度,开展了背景噪声去除方法研究。基于燃烧流场羟基示踪测速数据的噪声特性分析,构建了染噪的数值模型;针对局部的燃烧OH荧光干扰以及流场杂散光等背景噪声,采用了基于Hough变换的空间滤波方法。针对测量系统的物理、电、光以及传感器等噪声,采用了小波变换的噪声去除方法,提高了图像信噪比。提出了一种将两种方法融合的背景去除方法, 抑制了系统噪声对空间滤波算法精度的影响,优化了空间滤波结果。研究结果表明,图像处理后峰值信噪比提高了16.79 dB,信噪比提高了13.91 dB。对燃烧流场实验数据进行了处理,有效地抑制了背景噪声,达到了图像预处理的效果,满足了激光诊断系统对测量精度的要求。

针对非线性双线原子荧光技术(NTLAF)测温过程复杂度高的问题,提出了利用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)的标定方法。该方法将三个标定常数合并为一个,由荧光强度与TDLAS实时路径积分温度迭代求解获得该标定常数,最后获得温度。借助数值方法模拟了利用TDLAS标定NTLAF温度的过程,分析了不同温度分布及迭代初值对该方法的影响。温度反演结果与传统使用点标定方法的精度近似相等,温度反演误差均小于5%;不同温度分布对该标定方法的影响较小;选用合适的迭代初值,总能够获得唯一的标定常数。

为了解决传统光学测速技术需要添加示踪粒子的局限，发展了采用固体石英法布里-珀罗标准具检测流场固有分子瑞利散射光的多普勒频移来测量流场速度的技术。介绍了该技术的工作原理，主要分析了标准具性能参数、环境温度变化对系统测速性能的影响。建立了空间分辨的多点测速系统，通过光路设计，解决了环境温度变化对测量准确性的影响和提高了瑞利散射信号收集强度。通过高精度的数据处理方法，获得了马赫数1.5 喷管出口自由射流的的空间多点速度分布。结果表明，建立的测速系统和数据处理方法能够实现流场速度的精确测量。

针对自发拉曼散射技术应用于实际燃烧场参数测量时面临的主要技术难题，采用XeF(C-A)激光作为激励光源，开展了自发拉曼散射技术实验研究。通过分析拉曼散射过程对光源参数的要求，优化了XeF(C-A)激光器部分参数，建立了自发拉曼散射诊断系统，实现了气体介质主要组分浓度在线测量，对比了XeF(C-A)激光与主流激光作为拉曼散射光源的优缺点。结果表明：与现有主流光源相比，具有脉冲能量大、微秒级脉宽，位于可见光波段等特点的放电抽运XeF(C-A)激光非常适合用作自发拉曼散射激励光源。

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355 nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统, 测量了空气中主要组分的摩尔分数, 分析了该技术的测量精度; 测量了煤油蒸气在355 nm激光激励下产生的荧光光谱, 分析了荧光信号对拉曼信号的干扰; 对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断, 获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2, O2, H2O, CO2等)的拉曼光谱, 计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。

建立了激光诱导偏振光谱(LIPS)和激光诱导荧光(LIF)联合的燃烧流场诊断系统，测量了CH4/AIR预混火焰中心不同高度处的OH荧光光谱和激光诱导偏振光谱，计算了OH的浓度及燃烧场温度分布。分析了燃烧炉表面对荧光收集效率的影响，并对两种技术的测量数据进行了分析比对，获得了火焰中心OH密度的分布规律。实验结果表明，联合LIPS和LIF两种技术测量CH4/AIR预混火焰参数是可行的，两种技术测量结果的一致性较好，OH浓度的相对偏差小于5%，温度的相对偏差小于8%。

发动机测试现场的实验环境普遍存在强振动、高噪声等干扰条件，常规的用于光学实验室的激光诊断测量系统庞大、复杂且易受干扰，无法直接应用到这样的恶劣环境中。通过模块化设计和有针对性的抗振动设计，研制了一台可用于发动机现场测试、体积相对较小、结构紧凑的集成化相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)诊断系统。测温实验前测量了发动机测试过程中的振动结果，分析了振动来源和特点，有针对性地采取了减振措施,进一步降低了振动对集成化系统的干扰。利用集成化CARS系统测量了超声速燃烧室出口喷流的温度，获得了单脉冲CARS温度拟合结果和温度随时间的变化。测量结果显示不稳定燃烧状态下的温度抖动范围大于稳定燃烧状态，但平均温度低于稳定燃烧状态，表明不稳定燃烧的效率相对较低。

为了解决相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)光谱CARSFT计算程序在温度拟合过程中, 对初值依赖大、测量光谱信噪比差、不易收敛的问题, 通过分析非线性迭代算法, 采用了阻尼最小二乘算法对氮气CARS光谱进行温度拟合。针对CARS理论光谱计算公式较为复杂的特点, 采用数值差分的方式来获得迭代计算时所需要的设计矩阵。分析了横向偏移、纵向偏移和温度三个主要参量对拟合残差的影响, 发现纵向偏移的初值设置对温度拟合影响较大。拟合温度2000 K时的标准理论CARS光谱, 设置偏离较大的初始值, 采用阻尼最小二乘法获得了较好的结果。迭代计算167步后, 温度拟合为2 005.6 K, 残差为0.027 463。拟合光谱信噪比较差的CARS光谱, 阻尼最小二乘法也能稳定收敛。结果验证了阻尼最小二乘法对初值的依赖不大, 并且当拟合谱信噪比较差时也能收敛, 可用于在恶劣环境下CARS测量光谱的拟合。

燃烧过程的准确、实时诊断对研究燃烧机理、提高燃烧效率、降低污染物排放等至关重要。简要介绍了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的测温原理，通过选择水在1397 nm附近的两条邻近吸收线，运用多功能数据采集卡对二极管激光器进行控制和信号采集，实现了TDLAS技术波长扫描直接吸收法对瞬态超声速流场温度的测量，获得了瞬态超声速流场温度随喷流时间的演化过程，测量重复频率为1 kHz。