中国空间站燃烧科学实验系统是我国未来研究微重力环境下燃烧基础科学问题、空天推进系统中微重力燃烧问题、飞行器设计中火灾防治问题的重要科学实验平台,其通过燃烧诊断子系统的四个单元可实现火焰结构、形貌、温度、传播速度、碳烟浓度、流场速度和CH/OH自由基浓度等燃烧特性的非接触式诊断。为了保证将来微重力燃烧研究的顺利开展,在燃烧科学实验系统入轨前,需要开展地面试验以验证其燃烧诊断功能的可行性。燃烧科学实验系统HFR/HR彩色成像单元由三台可在290-1100 nm波段成像的光学诊断设备组成,基于火焰辐射图像,可同时重建三维火焰温度场和碳烟浓度场,并测量层流预混火焰传播速度。本研究围绕HFR/HR彩色成像单元,设计了三台光学诊断设备的光路结构,开展了地面层流扩散及预混燃烧试验,重建了乙烯扩散火焰三维温度场和碳烟浓度场,测量了甲烷和乙烯层流预混火焰传播速度,验证了HFR/HR彩色成像单元的功能可行性及其设计技术指标满足度情况。（1）设计了三台光学诊断设备的光路结构并评估了成像误差。首先,依据设计技术指标和发射任务需求,对光学诊断设备中的相机进行了选型;接着,经过物距统计后,计算了光学诊断设备中镜头组件的焦距、F数、视场角、成像范围等光学参数;然后,基于模块化和标准化理念,设计了光学诊断设备的机械结构;最后,分析并评估了光学诊断设备的成像误差。经过计算,光学诊断设备的成像误差约为0.0138 mm。（2）重建了乙烯扩散火焰的三维温度场和碳烟浓度场,评估了HFR/HR彩色成像单元的设计技术指标满足度情况。在地面镜像燃烧科学实验系统中开展了不同出口流量工况下的乙烯扩散燃烧试验,基于三台光学诊断设备采集到的火焰图像,使用双色法计算了三个投影方向上的二维火焰温度与碳烟浓度分布,应用Tikhonov正则化算法重建了三维火焰温度场和碳烟浓度场。结果表明,乙烯在空气中扩散燃烧的峰值温度接近2000 K,出现在火焰中部偏上靠近火焰边缘的两翼位置,而碳烟浓度的峰值则出现在火焰中心空气含量较低的区域。伴流空气流量一定时,燃料流量降低不会引起火焰峰值的显著变化,但会抑制燃烧过程中碳烟的生成。经过计算与分析,可以认为HFR/HR彩色成像单元满足火焰温度与碳烟浓度的测量指标要求。（3）测量了甲烷和乙烯层流预混火焰传播速度。基于三台光学诊断设备采集的本生火焰图像,对比了火焰面积法和火焰锥角法计算火焰传播速度的精度,并估计了火焰面积法的计算误差。测量了不同当量比、可燃混合气出口流量和可燃混合气出口雷诺数下的火焰传播速度,并分析了温度和压力对火焰传播速度的影响。结果表明,火焰传播速度的最大值和火焰高度的最小值均出现在当量比为1.04附近,乙烯火焰传播速度的最大值约为甲烷的1.8倍,火焰高度的最小值约为甲烷的0.8倍。当量比一定时,可燃混合气出口流量或出口雷诺数的改变不会引起火焰传播速度的变化,但会显著影响火焰的高度。此外,火焰传播速度随温度升高而升高,随压力升高而降低。本研究设计了三台光学诊断设备,重建了三维火焰温度场和碳烟浓度场,测量了层流预混火焰传播速度,验证了HFR/HR彩色成像单元的功能及其设计技术指标满足度情况。试验结果可为将来的天地（微重力/重力）燃烧对比实验提供地面数据,并为燃烧科学实验系统在轨科学研究奠定基础。此外,研究过程中开发的火焰温度、碳烟浓度和火焰传播速度测量算法可为将来的微重力燃烧诊断提供技术支撑。