基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义， 而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。 通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。 研究表明， 波长7 154.35， 7 153.75， 7 185.60和7 444.36 cm-1四条H2O的吸收谱线， 非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。 与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm-1处的吸收谱线相比， CO2和CH4的光谱吸光非常微弱， 在该波段O2和CO基本没有吸收， 因此燃烧环境中CO2， CH4， O2和CO等气体对于H2O吸收谱线基本没有影响。 通过比较不同算法的最优松弛因子、 计算时间和重建误差等， 发现与最小二乘QR分解算法相比， 自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。 在自适应迭代算法的基础上进一步比较了不同吸收线对(7 444.36和7 185.60， 7 154.35和7 153.75 cm-1)在射线束为16， 32， 48和64时的二维重建结果。 结果表明， 采用吸收谱线7 153.75和7 154.35 cm-1得到的重建结果优于吸收谱线7 185.60和7 444.36 cm-1的重建结果。 随着激光束的增加， 重建结果越来越接近模型假定的温度和浓度分布。 考虑到有限的测量空间和重建精度， 分析认为32束的光路布置更适合实际火焰的二维温度和浓度重建。 为了分析自适应迭代算法对不同温度和浓度分布的重建能力， 进一步模拟了双峰温度和浓度分布。 结果表明， 随着射线束的增加， 温度的重建误差总是大于浓度的重建误差， 表明射线数对温度的影响更为明显。 在双峰分布中， 投影射线束为16时的重建误差最大， 但此时的重建结果也能反映温度和浓度的分布趋势。

燃煤锅炉发电会产生大量的污染气体, 本文基于可调谐激光吸收光谱技术, 结合层析成像技术, 对预混火焰的温度和浓度进行重建, 通过这些参数来调节锅炉运行的工况, 以此来减少污染气体的排放和提高能源利用率。经过谱线分析, 文章选择在7148.8~7151cm-1附近选取2条适合高温重建H2O的吸收谱线(7149.058cm-1和7150.4716cm-1), 通过采取自适应迭代算法、BP-神经网络算法和卷积神经网络算法, 对不同的温度场和浓度场进行模拟重建。研究发现, 卷积神经网络算法在重建精度和稳定性方面都优于其他两种算法。为了探究误差对于重建结果的影响, 通过添加随机误差发现, 误差对于卷积神经网络算法影响较小, 温度和浓度重建精度高。为了验证卷积神经网络算法的可行性, 文章选取了不同的燃烧工况进行了重建对比。研究表明, 卷积神经网络算法重建图像趋于平缓, 与实际燃烧情况更加符合, 该研究也证明了卷积神经网络算法在燃烧场重建方面的优势和可行性。

表面光散射法流体界面性质传感要求既快速又准确，故需采用较小的散射角度来获取更强的散射光信号以提升测量速度，同时又需修正低散射角条件下引入的仪器加宽效应以确保测量准确性。理论上，在假定入射激光为高斯光束的条件下，发展了频域内修正低散射角条件下引入的仪器加宽效应的方法，并开发了利用参考数据获得表面光散射实验系统的仪器加宽常数算法与多波数条件下表面波的频谱修正和拟合算法。实验上，利用低黏度的制冷剂R1336mzz（Z）和高黏度的十四酸乙酯分别检验了理论的准确性。所提方法可将表面光散射法测量流体黏度和界面张力的单点测量时间从原来的10~20 min缩短至2~5 min，并保持相同的测量精度。

基于动态光散射原理，搭建了一套可测量热扩散系数的动态光散射系统，该实验系统包括散射光路、耐压实验本体、温度控制以及数据采集系统。同时，将光纤引入到动态光散射系统中作为探头，将实验系统缩小至类似系统的1/3。利用参考流体正己烷对实验系统进行了检验，将实验获得的热扩散系数拟合为多项式方程，拟合最大偏差为0.19%，平均绝对偏差为0.11%，与文献值最大偏差为3%。经过不确定度分析可知，所研制的动态光散射实验系统测量液体热扩散系数的不确定度为2%（k=2）。

为解决表面光散射法在临界振荡区测量偏差较大的问题，探索该方法应用于全黏度牛顿流体黏度测量的途径。修正表面光散射小角度仪器加宽效应，考虑气液界面表面波在近临界振荡区体相耗散效应，建立可以精确刻画牛顿流体全黏度范围的表面波频域色散方程，利用离散快速傅里叶变换将获得的时域相关数据转化为频域数据，并开发了多元频域拟合算法，以确保在任意黏度范围可以精确获得其黏度和表面张力值，并能给出统计学意义的不确定度。本研究提供了一种绝对的、全黏度范围牛顿流体黏度测量的表面光散射理论、方法和系统。

基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的波长调制（WMS）技术是一种有效的痕量气体检测技术，具有高选择性、高精度、高灵敏度、实时在线监测等优点。现场测量过程中，背景噪音和光学条纹等的影响会严重降低系统的测量精度，影响浓度测量结果。为了有效消除这些噪音给测量带来的影响，提高系统信噪比（SNR），提出一种基于小波变换结合经验模态分解（EMD）的数字滤波降噪方法。对低质量浓度的NH₃进行测量，分别采用小波变换滤波、经验模态分解滤波、小波变换结合经验模态分解滤波对获得的二次谐波信号进行降噪处理。实验结果表明，小波变换结合经验模态分解滤波相对于其他两种滤波方法效果最优，且对质量浓度为11.38 mg/m³的NH₃，信噪比由28.4 dB提高至446 dB，大大提高了系统测量精度。

基于吸收光谱的波长调制技术在气体检测方面已被广泛应用。波长调制技术测量得到的二次谐波信号会受到背景噪声及光学条纹等的影响，导致浓度测量下限较高。为了降低噪声的干扰，提高系统的信噪比，本文选取2.25 μm处的吸收谱线对NH₃进行理论分析和实验测量，采用小波变换和Gabor变换对二次谐波信号进行降噪处理。结果表明：Gabor变换和小波变换都能有效地去除二次谐波信号中多种噪声的影响，同时保留信号的真实性；对于主要含有白噪声和光学条纹的谐波信号，小波变换的降噪能力要优于Gabor变换，小波变换降噪后信号的信噪比明显提高，且曲线更加平滑；经过降噪后，低浓度NH₃的测量下限由0.36 mg/m³降低至34.45×10^-3 mg/m³。

理论上求解了高黏度流体表面波的色散方程，发现此类表面波随无量纲数Y值增大，存在一极值点Y≈0.145，跨越该点时表面波的弛豫特征由指数衰减转变为振荡衰减，同时流体表面波的色散方程也发生根本变化。为了验证上述推论的正确性，利用表面光散射法研究了温度在286.27~373.32 K范围内时高黏度流体邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)的弛豫特征和黏-温特性。结果表明：Y值随温度升高而减小，当Y<0.145时，表面波以指数形式衰减且不传播，此时黏度测量值与文献值的平均偏差不超过±1.5%；当Y>0.145时，表面波以振荡衰减形式传播，此时黏度测量值与文献值的平均偏差不超过±2%；当Y→0.145时，黏度测量偏差急剧增大，不能可靠地获得流体黏度。研究结果有助于认识高黏度流体表面波的弛豫特征，为利用表面光散射法精确、可靠地测量高黏度流体黏度奠定了基础。

基于光散射原理，研制了一套可以用于测量流体迁移性质的光学实验系统。该系统包含两路光路系统，分别是测量表面性质的表面光散射系统和测量体相性质的动态光散射系统。通过光路设计，可以实现两系统共用激光器、光子计数器、数字相关器等重要设备以及高压实验样品池。实验系统压力测试范围为0~10 MPa，温度测试范围为283 K~400 K，温度波动度小于±1 mK/h。采用光频外差的方法提取液体分子波动信息，并通过数值求解色散方程获得液体的迁移性质。利用参考物质正庚烷和R134a 检验了实验系统，获得的表面张力、黏度、热扩散系数、定压比热容值与文献值的偏差分别为2.29%、0.57%，0.12%，0.06%。通过不确定度分析，搭建的系统测量表面张力、黏度、热扩散系数、定压比热容值的不确定度分别为1%、2%、2 %、4.6 %(k=2)。