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。

燃烧流场浓度、 温度空间分布的精细测量对发动机燃烧室设计、 计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义, 其中平面激光诱导荧光（PLIF）技术具有对象选择性、 高测量灵敏度、 测量信息量丰富、 实验开展简单等优势, 尤其是OH-PLIF浓度及温度测量技术以其理论成熟性及技术方便性得到更为广泛的应用。 但该技术在煤油燃烧场的应用受到较大限制, 原因在于煤油燃烧场残余煤油对OH荧光信号造成较大干扰。 针对OH荧光分布测量时煤油干扰问题, 开展了OH及煤油吸收谱及荧光发射谱理论及实验对比分析。 其中煤油蒸汽吸收谱由氘卤灯通过煤油蒸汽前后的光强强度比获得, 相比于OH在260～320 nm波段的孤立吸收线, 煤油吸收为宽带吸收, 煤油吸收线完全覆盖OH激励线, 在煤油燃烧场在此波段对OH激励测量时, 激励煤油产生荧光不可避免。 另一方面, 通过调节激励波长, 测量获得OH/煤油混合荧光与煤油荧光发射谱。 煤油蒸汽荧光发射谱为中心分别位于290及340 nm的宽带信号, OH荧光主要集中于波长300～320 nm, 煤油荧光发射谱范围覆盖OH荧光, 结合吸收谱测量结果, 说明在煤油燃烧场燃烧不充分时, 在280 nm波段激励测量OH无法通过频域滤波的方式测量获得纯OH荧光信号。 通过对煤油信号的测量并扣除实现OH荧光信号的准确测量, 主要从选择性探测方面入手, 在OH荧光测量系统基础上增加一台探测相机, 采用两台ICCD相机, 分别结合(315±15)和(360±6) nm的带通滤光片进行OH/煤油混合荧光和煤油荧光的选择性探测, 通过对应点扣除的方式, 在煤油本生灯及发动机模型煤油燃烧混合荧光信号中去除煤油荧光获得了受干扰较小的OH分布结果, 证实了干扰消除方法的可行性, 为后续煤油燃烧场浓度及温度分布测量奠定了基础。

针对羟基示踪测速技术在超燃流场应用中测量图像受复杂背景干扰严重的问题, 提出一种提高信号提取能力的方法.该方法通过三个步骤实现信号提取能力的提升：利用霍夫变换进行信号识别; 基于感兴趣区域的大津阈值算法进行图像分割; 结合骨架提取和方向模板方法进行标记线提取.在此基础上, 结合仿真和实验, 验证了该方法可提高超燃复杂背景干扰下的信号提取能力, 解决了提取羟基有效信号精度不够的问题.

针对流场二维速度矢量分布测量的需求, 提出了利用交叉标记显示的光路设置实现羟基分子标记示踪速度矢量的方法。该技术中通过将标记激光束和显示激光片交叉布置, 在激光片平面内形成交叉标记点用于流场示踪。与传统的交叉网格实现速度矢量测量的方式相比, 该方法简化了实验光路, 有利于在恶劣环境中的应用, 并且得到的标记为近似圆点, 标记位置的识别更加方便。通过对交叉标记显示产生的标记点图像的位置进行模拟识别运算, 获得了影响标记点位置识别精度的因素和规律。利用单标记点实验设置, 获得了射流火焰流场速度矢量及其浮动值, 结果显示在存在火焰OH背景干扰的情况下, 速度测量不确定度小于2.2 m/s; 利用柱面透镜阵列, 实现了3×20个标记点的速度矢量分布测量。研究结果表明了交叉标记显示方法进行分子标记速度测量的可行性。

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。

分析了工业发动机湍流燃烧场诊断的需求和面临的挑战，介绍了燃烧流场组分浓度、温度和速度等主要参数的激光测量技术，给出了其基本原理、在燃烧场诊断中的应用和国内外研究现状，分析了不同技术的特点及其适用性。简介了多参数综合诊断的作用和进展。对目前诊断和测量存在的主要问题和发展趋势进行了探讨。

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。

针对在发动机实验环境中羟基分子标记示踪速度测量技术受到的强振动干扰问题, 通过实验研究分析了标记激光与不同流场作用时产生的辐射光谱特性, 设计了在实验中同时拍摄标记基准图像和移动图像的振动干扰抑制方法。对于一般流场, 在实验中实时拍摄标记激光瑞利散射作为标记基准图像, 而对于含有煤油大分子碳氢燃料的流场甚至是CH4燃烧场, 用标记激光诱导燃料在OH荧光辐射波段的辐射光作为标记基准图像。在超燃发动机的速度测量应用尝试表明, 两种方案均可以达到抑制振动的目的。在相对干净的流场区域, 前者得到的标记激光图像会受到壁面散射等干扰, 基准位置提取不确定度约为0.06 mm。在流场中未燃燃料含量比较丰富的区域, 后者能够得到清晰的标记基准图像, 基准位置提取不确定度可以降至0.03 mm, 与采用平均方法得到的基准位置提取不确定度相当。

为了正确评价超燃发动机试验状态, 采用自发拉曼散射技术在线测量了超燃发动机流场的主要组分。基于发动机试验条件和发动机与光学诊断技术的接口, 建立了用于发动机流场组分测量的自发拉曼散射实验系统; 测量了多车次发动机试验过程中流场主要组分的拉曼光谱; 最后, 通过光谱计算获得了流场主要组分浓度信息并重点分析了来流氧气含量及其变化情况。实验显示: 发动机试验中, 部分车次试验补氧后的来流中氧气的最大含量达到了30%, 最小含量为18%, 说明发动机试验过程中, 对补氧量的控制精确和稳定性还有待提高。结果表明: 采用自发拉曼散射技术可以较好地完成来流主要组分浓度测量工作, 测量结果可用于发动机试验数据的分析及来流补氧控制方式和控制精度的改进。