目前,化石燃料仍然是我国最主要的能源供给方式。燃烧作为将燃料化石能源转换为可利用热能的主要有效途径,对其进行深入的理论和实验研究,有助于分析理解燃烧的本质和规律,为进一步改进燃烧系统和优化设备运行提供参考数据。火焰的温度场测量,可以为燃烧机理研究以及污染物的排放控制提供有效的数据支撑。同时,典型燃烧产物组分的浓度也直接反应了设备燃烧室内的燃烧状态和燃烧效率。因此,提出新型的燃烧诊断测量技术,实现对高温火焰三维温度场、辐射物性场以及燃烧产物组分浓度场等多物理量场的协同重构,对于燃烧领域的科学研究有着非常重大的意义。然而,现有的光学层析燃烧诊断测量方法,无论是主动式还是被动式测量,都无法实现对高温火焰的温度及燃烧产物组分浓度场的三维空间协同重构。因此,本文提出了主被动光学层析融合探测方法,将主动激光层析吸收光谱技术和被动光场辐射成像层析探测技术相结合,建立了火焰三维温度场、辐射物性场、燃烧产物组分浓度场等多物理场协同重建模型与测量方法。碳氢火焰的燃烧产物组分往往包括H2O,CO2、CO等气体组分以及碳烟等固体颗粒物,因此,对火焰的测量必须同时考虑气固两相组分的影响,发展适用于高温碳烟火焰的多物理量协同测量十分有必要。为实现碳烟火焰的三维温度场和组分浓度场的协同重建,本论文首先构建了高温碳烟火焰的主被动光热信息融合获取模型,发展了基于视在光线法和广义源项多流法的吸收性火焰和吸收散射性火焰中弥散介质辐射传输的计算方法,实现了对高温碳烟火焰任意方向出射辐射强度的快速、精确计算。在此基础上,分别阐述了主动层析吸收光谱和被动光场辐射成像的基本理论和原理,为后续碳烟火焰温度场和燃烧产物组分浓度场的重建反问题提供了正问题计算模型。以主动激光吸收光谱理论为支撑,结合计算层析理论,对高温火焰的二维温度及H2O组分浓度的协同测量展开了研究,分别采用了线性和非线性层析吸收光谱测量模型进行数值仿真研究,分别应用代数迭代重构算法和基于自适应协方差矩阵的进化策略算法,对强病态性的重构问题进行了计算求解。在测量模型中加入了基于平滑先验信息的正则化方法,改善了病态问题的多解性,增强了重构结果的抗噪性。同时,将测量模型及算法应用于双峰分布的多模态火焰中,验证了测量模型及方法的适用性。基于主动激光层析探测的方法受到光学窗口以及光路布置的局限性,一般多用于二维火焰的燃烧诊断。实际中火焰多呈现三维非均匀分布,因此开展了基于被动光场辐射成像高温火焰三维温度场的重构研究。以波动光学的菲涅尔衍射定律和弥散介质辐射传输求解方法为理论基础,建立了适用于高温碳烟火焰的光场卷积成像模型。将火焰的二维光场图像为测量信号,对吸收性火焰和吸收散射性火焰及多峰分布的多模态火焰进行了三维温度重构的数值仿真研究,对温度重构质量的影响因素进行了分析,并结合贝叶斯理论模型,对测量方法的不确定度进行了分析。基于被动光场层析探测对火焰三维温度的测量,需要已知火焰内部的辐射物性参数,但在实际中辐射物性参数是未知的。因此,结合主动激光层析吸收光谱和被动光场辐射成像技术,提出了一种基于主被动层析融合的高温碳烟火焰多物理场协同重建方法。结合多谱段激光层析透射测量信号和火焰自发辐射光场测量信号,建立了基于主被动层析的多场协同重构模型,对高温碳烟火焰的辐射物性场、三维温度场以及气固两相燃烧产物组分浓度场的协同重构进行了模拟研究,并对多种测量信号的随机误差进行了误差传递分析。最后,对基于主被动层析融合的测量模型进行了实验验证。对典型高温碳烟火焰—乙烯扩散火焰的辐射物性场、三维温度场及燃烧产物气固两相产物组分浓度场的协同重构进行了实验研究,并与热电偶测量值进行了对比,验证了主被动层析融合测量系统的有效性。温度重构值与热电偶测量值的最大偏差为50 K,证明了温度测量的精度。将重构得到的辐射物性场、碳烟组分浓度场以及H2O组分分布与相关研究中的测量结果进行对比,对应分布趋势及数量级相一致,证明了测量方法的有效性。