平面激光诱导荧光是一种高时间和空间分辨率、非接触的激光诊断技术, 是研究流场和燃烧场的重要技术手段。高速PLIF技术相对于现有的低速PLIF技术具有众多优势, 高超声速飞行器、燃烧场、空气声学和等离子体等领域的发展, 需要重复频率在10 kHz以上的高速PLIF技术对湍流场和反应场进行研究, 以掌握其反应过程并进行优化。高重频、大能量脉冲激光器的缺乏是限制高速PLIF技术实现的主要原因。针对高速PLIF技术及其光源的发展状况做了全面的综述, 对比说明了不同类型激光光源的特点, 并对脉冲串激光器作为高速激光诊断光源的前景进行了展望。

为了探索激光吸收光谱技术在非均匀流场中的应用, 提出了一种新的实现非均匀流场中气体参数定量测量的方法。 预知被测流场中的温度变化范围后, 选择在该温度范围内具有近似线性变化特性的谱线, 线性拟合该温度范围内的谱线强度, 结合实验测量的吸收光谱便可以实现非均匀流场中H2O组分权重的温度积分平均值和H2O组分积分平均值的定量测量。 两温度分布和高斯温度分布模型的仿真研究证明了该方法的有效性和可靠性。 两温度分布模型中的测量结果与理论值的偏差分别小于082%和110%, 而高斯温度分布模型中不同光线中的测量值与理论值的最大偏差分别小于09%和36%。

利用基于可调谐半导体激光器的扫描波长调制光谱技术, 实现了高温燃烧场内气体参数的测量。 提出了基于迭代算法实现气体压强、 温度和组分浓度同时测量的方法, 迭代算法具有收敛速度快以及对初始值不敏感等优点。 采用频分复用技术, 利用两条H2O吸收谱线(7 454.45和6 806.03 cm-1)的谐波信号, 对高温燃烧场进行了实验研究, 并将气体压强、 温度和H2O组分浓度测量结果与压力传感器、 热电偶和直接吸收光谱法的测量结果进行比较, 结果表明, 基于波长调制光谱技术测得的气体压强、 温度和H2O浓度与预测值基本符合, 最大偏差分别在7.6%, 8.1%和7.5%以内。 此方法具有多参数同时测量、 免标定等显著优势, 但由于依赖的参数较多, 容易对测量精度造成影响。

基于扫描波长调制光谱方法实现了超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量的测量。利用两条H2O吸收谱线的谐波信号，研究了均匀流场中超声速气流多参数同时测量的方法。基于波长调制光谱技术的测量结果能准确反映均匀流场中的气体参数，然而实际流场往往具有边界层。针对具有边界层的近似均匀流场，数值仿真研究了谱线选择和边界层厚度对流场中心流测量结果的影响。仿真结果表明，随着边界层厚度不断增大，测量结果误差逐渐增大，选择对边界层温度不灵敏的吸收谱线能够有效降低边界层的影响。对超燃直连台隔离段内的超声速气流进行实验研究，结果表明基于波长调制光谱的测量方法在强噪声和强振动的环境中具有较高的测量精度。温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量测量值与预测值的最大相对偏差分别在8.2%、7.2%、2.0%、3.1%和6.4%以内。

基于扫描波长调制光谱技术,开发了一种同时测量气体压强、温度和组分浓度等多个参数的传感器.详细分析了利用谱线的4fpeak/2fpeak和2f/1f信号测量气体参数的迭代算法以及传感器的设计方案.采用频分复用方案,利用7 429.72 cm-1和7 454.45 cm-1两条H2O谱线对温度分布在300~1 200 K范围内的静态气室进行了实验研究.实验结果表明,迭代算法具有收敛速度快和测量精度高等优点,温度、压强和H2O组分浓度的测量值与预测值基本符合,与预测值的最大相对偏差分别在4%、6%和6%以内.

利用基于可调谐半导体激光器的免标定波长调制光谱技术，通过迭代求解实现了温度和组分浓度的测量。通过测量7185.60 cm-1和7454.45 cm-1两条H2O吸收谱线的激光调制参数，得到了实验和仿真所需的参数。采用频分复用技术，对温度分布在600 K~1000 K范围内的气体温度场进行了温度和组分浓度的测量验证。结果表明，基于免标定波长调制光谱技术测得的气体温度和组分浓度与预测值基本符合，与热电偶测得的温度和直接吸收光谱方法测得的组分浓度的最大相对偏差分别在4%和5%以内。

可调谐半导体激光吸收光谱技术作为一种稳健的非接触测量技术，在燃烧和推进等恶劣流场的诊断中具有广泛的应用。开发了一种基于水吸收的可调谐半导体激光传感器，用于同时测量超声速地面测试设备的温度和速度，应用扫描波长吸收谱和免标定的波长调制谱可实现绝对测量。传感器在2.5 kg/s质量流量的直连式超燃试验台上开展了工程试验研究，试验马赫数为2.0，总压为5.3~5.7 atm(1 atm=1.01325×105 Pa)，总温为1100 K~1700 K，速度和温度的测量结果与模型预测值具有较好的一致性，验证了传感器设计的有效性，为工程应用提供了有力的技术支撑。

研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现非均匀温度/浓度分布测量。 通过扫描多条H2O吸收谱线, 利用最小二乘算法求解非线性方程, 数值模拟和实验得到沿光路方向上的两区温度和浓度分布。 计算结果表明采用10条H2O吸收谱线, 计算得到温度相对模型温度的最大偏差为8.3%, 浓度偏差为7.6%。 通过增加扫描吸收谱线数目和减少未知数个数可以提高计算结果精度。 实验测量得到高温区和低温区温度较热电偶读数偏差分别为13.8%和3.5%, 数值计算结果与实验结果基本吻合。