光场粒子图像测速(light-field particle image velocimetry,LFPIV)是一种新兴且有发展潜力的单相机三维流场测量技术。现存的其他三维粒子图像测速技术有以下几个局限性:(1)实验设备复杂,(2)设备占用空间大,(3)处理时间长和(4)基于多相机系统。本文提出利用LFPIV来规避上述局限性。文中介绍了使用LFPIV来精确获取超声速射流三维速度场的实验,借以初次验证LFPIV在高速可压缩流体中的可行性。在此之前,LFPIV仅被应用在低速射流和涡流中。为了验证整个系统的功效,采取了以下的验证手段:(1)定性验证,即对比纹影结果中超声速射流的激波结构和马赫环以及(2)定量验证,即对比二维PIV中超声速射流的剖面速度分布图和马赫数分布,两者结果的误差约为1%。在本文涉及的研究中,超音速喷嘴是基于双半径法和特征线法来设计的。为了验证喷嘴出口处均匀激波的存在,画出了喷嘴的二维计算模型并在此基础上通过ANSYS来模拟。同时还在低、中、高的精细度条件下进行了网格无关性测试。在本文的实验中,使用了总计三套设备来做定性和定量的分析:(1)纹影实验,(2)二维PIV(粒子为直径1μm的氧化铝颗粒)和(3)LFPIV实验(粒子为直径0.5μm的氧化铝颗粒)。基于镜面纹影的实验研究使用了水平和竖直两组刀片,其结果表明所设计喷嘴外的流动具有过膨胀、完美膨胀和欠膨胀的特性。结果也可用来提取激波几何结构,以便在之后的实验中对比定性验证LFPIV的测量。利用二维PIV对该超音速射流做实验研究,从150个拍摄处理得到的瞬态速度场中得出平均速度在y方向上和x方向上的值。其中,计算获得的y方向上平均马赫数为0.9-1.2,整个射流(含外部边界区域)的速度范围约为280m/s至384m/s。最后,利用新兴且具有创新性的LFPIV初测测量超音速射流,其结果马赫数约为0.9-1.2,整个射流(含外部边界区域)的速度范围为231m/s至385m/s。此结果通过与二维PIV结果的对比得到了验证。此外,还在概率分布函数和累计概率分布函数上开展了速度差异分析。二维PIV与LFPIV的速度绝对值差异大约为1%,马赫数分布差异大约为1.2%,表明了两者的结果具有相似性、可比性。本文的创新点在于:(1)首次验证了LFPIV在超声速可压缩流体中的应用,(2)设计了超声速喷嘴,并基于此开展纹影、二维PIV和三维PIV实验,(3)在受限光学窗口系统中使用LFPIV,即用单相机实现超音速射流三维速度场测量,(4)通过紧凑的单相机系统获得了与其他多相机三维PIV技术可比的结果,(5)定量定性地比较分析了二维PIV和LFPIV所获的结果。