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高超声速飞行器因飞行速度快、突防能力强而备受关注,其推进系统一直是研究重点之一,常用推进系统为超燃冲压发动机。在超声速来流中,超燃冲压发动机一般使用凹腔稳焰的形式获得稳定燃烧进而产生推力。凹腔稳定下的火焰结构研究将对超燃冲压发动机燃烧室的设计及超燃稳焰机理的研究提供可靠的实验支持。本文使用平面激光诱导荧光技术(PLIF)成像凹腔稳定超声速燃烧的火焰结构。在超声速来流中,使用OH-PLIF技术观测凹腔稳定火焰反应区结构,使用CH-PLIF技术观测凹腔稳定火焰释热区结构。OH-PLIF实验在国防科技大学直连式超声速燃烧实验台上开展。在流量为1kg/s,飞行马赫数为2.92,总温1530 K的来流条件下,使用Nd:YAG泵浦的染料激光器,其波长为～283 nm,能量为12 mJ,频率为30 Hz,通过光路系统转化为片状激光进行测量。在当量比为0.29与0.52工况下,成像燃烧室中三个展向截面与两个流向截面的凹腔稳定火焰反应区结构,得到不同当量比下凹腔稳定火焰反应区结构的多截面空间分布及其发展规律。当量比为0.29时,OH分布在关于中轴线对称、沿流向发展的条状结构中,条状结构在凹腔后缘汇聚;当量比为0.52时,OH分布在紧贴侧壁面的片状结构中,片状结构在凹腔下游汇聚。CH-PLIF实验使用可调谐亚历山大固体激光器,其波长为～387 nm,能量为15mJ,频率为10 Hz。利用CH-PLIF技术观测不同雷诺数火焰下甲烷和空气预混火焰的释热区结构,并对CH-PLIF光路系统进行在线优化以便将其用于更复杂的超声速燃烧诊断实验中。在1 kg/s直连式超声速燃烧实验台上,利用CH-PLIF技术成像流向截面凹腔稳定火焰结构。实验发现凹腔稳定火焰释热区高度褶皱和破碎,放热区结构的厚度为0.5-6.5 mm,同时也存在释热区的分裂与剥离等现象。本文主要使用OH-PLIF成像超声速来流中展向截面与流向截面的火焰反应区结构,构建凹腔稳定火焰结构的多截面空间分布,有助于理解凹腔稳定火焰在空间中的发展与变化。使用CH-PLIF技术成像超声速气流中凹腔稳定火焰的释热区结构,获得释热区在凹腔中的分布及发展规律。研究结果有助于理解超声速来流中凹腔稳定火焰反应区和释热区的结构,为验证仿真模拟结果提供可靠的实验支撑,为超燃冲压发动机燃烧室设计与改进提供参考和借鉴。