燃烧场的全场显示与关键物理参数的三维定量测量，是现代航空、航天、导弹及能源工程中军事装备研究和工业仪器设计的基础。光学层析技术由携带被测场信息的多方向投影数据来重建待测场物理参数，能够对被测场实现非接触、无损、瞬态的三维定量测量及全场三维显示。燃烧场的三维折射率分布是利用光学层析技术进行燃烧场诊断中最重要的物理参数之一，它是燃烧场温度、密度等物理参数反演的基础，并且不同燃烧区域的参数反演模型中各常数由燃烧场中组分的种类及其三维分布决定。传统的光学层析技术基于二维Radon变换，通过重建出一组相互平行的二维切片，再将二维重建平面堆积成三维重建场，是一种准三维的“切片式”层析重建方法。为了实现真正意义上的光学体层析技术从而实现对燃烧场中关键参数的三维精确诊断，本文将三维层析理论与光学测量技术相结合，分为上、下两部分，分别研究了用于三维折射率测量的莫尔体层析技术和用于燃烧组分分布和燃烧结构测量的发射光谱体层析技术。　　在上部分对莫尔体层析技术的理论和实践研究中，将圆光栅应用到莫尔体层析的投影采集装置中，实现对投影波前相位一阶径向导数的直接测量。以此为基础实现了单方向莫尔体层析技术。主要工作有:　　1.基于双圆光栅的莫尔体层析投影光路研究。针对三维层析滤波反投影算法重建折射率时需要测量投影波前相位径向导数的要求，提出了使用双圆光栅的莫尔体层析投影测量系统。根据标量衍射理论对该系统投影条纹的形成机理进行研究，并基于角谱理论分析了圆光栅的频谱特性，推导得到了圆光栅0、+1和-1级莫尔条纹强度分布精确解析表达式。结果表明该系统的莫尔条纹投影是投影波前的径向剪切干涉结果，确定了投影条纹中包含被测波前相位的径向一阶导数信息，并且+1和-1级莫尔条纹之间存在一个固定的相移，该相移量与两个光栅的间距和光栅周期有关。　　2.基于傅里叶变换的圆光栅莫尔条纹相位提取。根据圆光栅莫尔条纹辐射状分布及+1级和-1级莫尔条纹为严格余弦分布的特点，提出基于坐标变换的傅里叶变换方法进行相位提取。将直角坐标系中的辐射状条纹转换到极坐标系中的开放条纹，再利用傅里叶变换原理对坐标变换后的条纹进行相位提取，最后进行坐标逆变换得到直角坐标系中被测相位的径向一阶导数，通过数值模拟验证了该方法的准确性及精度。通过实验测量了由轴对称丙烷火焰引入的投影相位的径向一阶导数，并对其折射率进行三维重建，实现了单方向的莫尔体层析技术。　　3.圆光栅两步空间相移相位提取方法研究。根据圆光栅+1级和-1级莫尔条纹之间存在相移的特点，建立了一个基于线光栅和空间滤波的共光路空间两步相移光路。该光路可以同时获取两幅具有相移的+1级和-1级莫尔投影图。并提出一种两步相移算法进行相位提取，通过数值模拟验证了该算法的精度。通过测量球面波相位的径向一阶导数验证了该系统的测量精度，并利用该系统测量了由丙烷火焰引入的投影相位的径向一阶导数。该方法光路结构简单，测量精度更高、可以进行全场测量，并且测量范围广。　　在下部分对发射光谱体层析技术的研究中，研究了考虑相机成像效应的三维投影模型，并建立了12个方向的发射光谱体层析系统，实现了对丙烷火焰燃烧过程中的CH辐射强度的实时三维测量。主要工作有:　　1.相机三维投影模型及层析重建算法研究。考虑景深较小相机对较大成像区域的三维成像及模糊效应，提出了一个基于透镜成像原理的相机投影模型，用来描述相机的三维投影成像过程。该模型不受相机参数以及重建区域范围的限制，并且具有较高的计算效率，与传统的平行投影模型相比，更加符合相机的物理成像过程。通过模拟不同位置上单个点的成像验证了该模型的精度。利用该投影模型能够精确计算层析系统的权重矩阵，并结合ART和MART算法进行三维层析重建，通过模拟实验验证了该重建理论的精确性。　　2.多方向发射光谱体层析系统的实现与燃烧火焰三维测量。建立并完成了一个具有12个相机的发射光谱体层析系统，可以同时采集12个方向上的丙烷火焰中CH的辐射投影图像。针对层析系统中各相机的空间位置以及相机像距的精确标定问题，研究了一种改进的相机标定方法，该方法在测量相机像距时具有较高的精度。使用上述相机三维投影模型，并利用MART重建算法对丙烷火焰中CH的三维辐射强度分布进行空间和时间上的三维重建。该系统及相关理论简单可行，计算效率高，并且具有较高的重建精度。　　本博士论文的研究成果为燃烧场的三维显示和关键参数的测量和诊断提供更先进的技术基础，相关学术成果可望成为相关光学检测和光学三维层析技术的理论基础。