温度的测量与控制在国防领域、军事领域、科学实验或者是工农业运用方面都有着极其重要的作用，尤其是在航空航天发动机的设计和研制中。发动机燃烧室内一般是高速喷动的气流场，它的温度非常高，再加上燃燃室是密闭不可见的，所以需要利用发动机尾焰温度场反推燃烧室内的燃烧状态，由此可见，对流场温度场测量技术的研究在当代各个领域中有着非常重要的现实意义。但是由于流场的高温和不稳定等特性，用常规的测量手段很难对其进行测量。近年来，国内外不少学者利用计算机图像处理技术、光学层析技术和辐射测温技术等手段判断流场的状态和温度水平，取得了一定的进展。在高温、不稳定流场的温度场测量中，CCD靶面采集到的是射线在流场中传播经过发射、吸收和散射等过程后的投影。本文在对流场的辐射传输特性、黑体辐射理论以及发射光谱层析技术研究的基础上，根据微元间辐射平衡关系提出了一种基于多路单光谱层析技术的温度场三维重建方法。为了提高流场温度场重建精度，本文考虑介质的吸收、发射和散射等特性，根据微元间辐射平衡关系推导出辐射投影矩阵，构建出重建温度场三维分布的计算模型，并设计出一组求解吸收率和吸收系数的实验定标方法。结合成熟的CT技术中ART算法进行运算，并通过MATLAB对其进行模拟仿真，讨论了重建过程中各种因素对重建精度的影响，给出重建算法中各种影响因素之间的关系。本文还设计了由远心焦阑镜头、窄带滤光片、面阵CCD工业摄像机和图像采集卡组成的多路单波长图像采集系统。将该系统运用到小型的蜡烛火焰场，重建出该蜡烛火焰的三维温度场分布。最后的实际结果证明基于微元间辐射理论的重建模型可以很好地对温度场进行重建。