基于哈特曼波前探测的流场计算机层析重建技术(HS-TOM)是一种新型的流场光学计算层析重建技术。本文以此为研究对象，研究了计算机层析重建技术、基于哈特曼波前探测的流场计算机层析重建理论、系统参数设计、性能分析、系统仿真、系统软件设计以及系统实验。 计算机层析重建算法是系统软件的核心，论文简要介绍了计算机层析重建的理论基础，针对工程实际中面对的少数投影层析重建问题，仿真比较了5种常见迭代重建算法的性能，MART的重建误差最小且算法实现简单；论文仿真分析了不同局部基函数展开下层析重建的性能，连续基函数展开重建精度明显好于脉冲基函数展开，而各种连续基函数展开具有不同的重建效果，但差别不是很大，局部基函数的选取应重点考虑投影矩阵计算的难易程度。 在层析重建算法研究的基础上，论文详细介绍HS—TOMO系统层析重建的理论，讨论了系统的两种重建方法。结合待测流场的宽度、最大带宽、投影波前动态范围和哈特曼传感器波自探测的物理特性，详细讨论了HS—TOMO系统的参数设计过程，得到了一组参数设计公式，为系统设计和系统分析提供理论基石。在系统设计的基础上，论文对系统的投影探测噪声进行了全面地分析，指出待测流场投影探测误差不仅受到哈特曼质心探测误差的影响，同时还与微透镜大小和投影采样微透镜数目有关。为了减小投影探测噪声应尽量减少微透镜数目和增大微透镜的尺寸。 在系统理论研究的基础上，论文对HS-TOMO系统进行了计算机仿真以验证系统的可行性，仿真分析了系统在无噪声以及20dB信噪比下的无限角度范围少数投影层析重建和有限角度范围少数投影层析重建性能，建立了完善的系统仿真平台，为系统分析和系统设计提供研究工具。 论文设计了HS-TOMO系统的应用软件，软件采用LabVIEW软件开发工具和动态链接库相结合进行开发，软件开发和维护效率高。软件实现哈特曼光斑图像采集、数据处理、层析重建和结果的可视化输出等功能。 论文最后对HS-TOMO系统进行实验验证，分别进行了静态折射率场、圆对称热流场、非圆对称热流场和三维温度场层析重建实验，取得了令人满意的实验结果。对工程实际中高速流场，设计了基于哈特曼波前传感器的瞬态三维流场光学层析测量系统，它结合超短脉冲激光技术和同步控制技术，将流场采样时间缩短到超短脉冲激光持续时间的量级上，因此可以捕获高速流场的瞬态信息，实现瞬态三维流场的层析重建。