碳烟颗粒的生成、演化特性在低碳经济、环境污染、气候变化、人体健康、无线通信、红外遥感、目标识别等领域具有显著的学术价值和广泛的应用背景。碳烟颗粒的形貌特征参数是研究燃烧过程中碳烟生成的重要参考因素。发展碳烟诊断技术,准确测出碳烟颗粒形貌特征参数信息对于燃烧过程中碳烟的生成机理和抑制理论的研究非常重要。光学诊断方法因为其非侵入式测量的特性,能够在不干扰火焰燃烧的情况下得到碳烟的粒径、体积分数、组分等重要信息而被广大研究者青睐。但大多数碳烟光学诊断方法仅能实现同类物性参数的反演,对于不同种类物性参数的联合反演,目前国内外研究较为欠缺。且光学诊断反演方法本质上是病态的反问题,测量精度对反演先验参数的不确定度敏感。因此,克服反问题的病态特性,发展高效、准确、稳定的碳烟颗粒及团簇形貌特征多参数协同反演技术具有重大的理论价值和深远的科学意义。本文从连续激光的光散射信号和脉冲激光的激光诱导炽光信号出发,对碳烟单颗粒系和团簇颗粒系的形貌特征多参数的协同反演方法进行系统的研究与分析。具体研究内容包括以下五个方面:首先,基于米氏散射理论模型和改进量子粒子群算法（IQPSO）,建立碳烟单颗粒系的粒径分布与光学常数联合反演方法,克服了传统光散射法对光学常数先验信息的依赖。通过分析不同散射信号方案的多值性,揭示了融合多种散射信号和多波长策略可以抑制了反问题求解的多值性。结果表明联合反演方法能够在10%的高强度高斯噪声下精确反演粒径分布与光学常数。通过分析散射角数量与反演精度的关系优化了联合反演所需的散射角数量。基于Rayleigh-Debye-Gans电磁散射理论发展了碳烟团簇颗粒系的角度散射相对强度计算方法,并引入协方差矩阵自适应进化策略（CMA-ES）算法,提出碳烟团簇颗粒系粒径分布与分形维度的联合反演方法。该方法在理论上独立于光学常数、基元粒子粒径、分形前置因子、颗粒系数密度等模型参数的先验信息。在10%高斯噪声下,通过耦合多波长策略实现团聚体粒径分布与分形维度的精确反演。通过多值性分析得出实现联合反演方法的最少散射角数量。对比IQPSO算法,CMA-ES算法大幅度提升了联合反演的求解效率和精度。基于低激光能量密度的简化激光诱导炽光（LII）模型,定义了替代团聚结构、团聚体尺寸和热适应系数对LII模型影响的新模型参数,分形热适应因子,该参数可以用于定性描述碳烟的团聚程度。通过对三个二维反演子问题开展不确定度分析,揭示了低激光能量密度区的简化LII模型中基元粒子粒径分布均值与分形热适应因子的线性关系导致两者的反演结果存在较大的不确定度。通过在简化LII模型中额外考虑升华与热电子发射效应重构了反问题的数学特性,使得基于改进简化LII模型的联合反演方法能够精确且稳定地反演基元粒子粒径分布与分形热适应因子。该方法独立于团聚结构、团聚体尺寸和热适应系数等模型参数的先验新信息并适用于从室温到火焰温度的不同环境温度条件。最后,基于正庚烷火焰的平面LII实验系统,开展了碳烟形貌特征多参数场的实验验证。使用高通滤波技术从原始测量数据中屏蔽脉冲激光折射光的干扰并提取碳烟区域像素位置的测量信息,大幅度降低反演计算量。从处理后的双波长平面LII衰减信号中重建了火焰碳烟基元粒子粒径分布参数场与分形热适应因子场。取样点的反演结果与碳烟样本的透射电子显微镜（TEM）分析结果对比表明,反演的基元粒子粒径分布趋势上与真值相似,均值基本吻合而反演结果的粒径分布更窄。