粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术是一种全场、非接触、瞬时测量技术。由于激光照明和图像采集技术的高速发展,PIV技术已被应用于高超声速流场的测量。相比较于低速不可压缩流场,高超声速流场结构更加复杂,存在激波等强速度梯度边界和剪切层、回流涡等可压缩流场结构。复杂的流场结构使得粒子浓度剧烈变化,粒子图像亮度分布不均,对PIV测速方法提出了更高的要求。然而,互相关PIV测速方法的测量精度和空间分辨率在高超声速复杂流场测量中难以保证。传统变分光流PIV测速方法虽然空间分辨率高,但亮度守恒和平滑约束假设在高超声速流场中不再严格成立。同时两者在模型建立时均未考虑高超声速流场的物理运动规律,因此无法完全适用于高超声速流场的测量。本文在传统变分光流方法的基础上,结合高超声速流场特性,提出基于场分割的PIV变分光流方法和基于速度分解的PIV变分光流方法,研制PIV测量仪器和测量软件,并将其应用于高超声速流场的测量。如下为本文的主要研究成果。（1）提出了基于场分割的PIV变分光流方法（Field-Segmentation-based Variational Optical Flow,FS-VOF）。由于空气具有可压缩性,高超声速流场的速度场分布往往是不可导的,会出现激波等强速度梯度边界。针对此问题,本文将不可导流场分割成多个可导的子区域,在分割的子区域内,流场速度连续变化,在分割边界处,流场速度阶跃变化。在此基础上改进传统变分光流模型中的数据项和正则项,提出了FS-VOF方法,并采用多尺度和图像变形迭代方法进行优化求解。该方法对比互相关方法和传统变分光流方法,对高超声速流场中激波等强速度梯度边界的测量精度更高。（2）提出了基于速度分解的PIV变分光流方法（Velocity-Decomposition-based Variational Optical Flow,VD-VOF）。互相关方法和传统变分光流方法的模型建立基本假设均未考虑高超声速流场的可压缩性质,在剪切层、回流涡等可压缩流场结构中测量精度不高。针对此问题,本文同时考虑粒子图像信息和流体物理模型,提出了VD-VOF方法,将高超声速流场复杂运动分解成多个运动分量进行约束,并根据各运动分量特性设计自适应正则化参数。该方法相比传统变分光流方法抗噪声干扰和粒子图像亮度变化的能力更强,对高超声速流场中回流涡等可压缩流场结构的测量精度更高。（3）高超声速激波/边界层干扰流场结构的测量与分析。在高超声速流动中,流动几何截面的收缩会导致流场中出现激波/边界层干扰现象。激波/边界层干扰会对飞行器的飞行控制和壁面热/力载荷产生影响,激波/边界层干扰现象的测量和研究对飞行器气动外形设计和结构优化具有十分重要的意义。本文采用自研的PIV测量仪器,分别对压缩拐角模型、前向台阶模型和球柱绕流模型这三种典型的气动外形模型开展实验研究。对测量的速度场结果采用本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）分析提取流场中的相干结构,实现了高超声速激波/边界层干扰的高分辨率精细测量和分析。针对高超声速风洞研制了实时自适应（Real-Time Adaptation,RTA）PIV测量仪器的硬件设备,包括粒子发生器、分光相机和图像处理机。粒子发生器适用的粒径范围为0.02～3μm,最大承压10MPa,最大供气压力8MPa。分光相机成像分辨率为2048×2048pixels,最大帧率100Hz,最小时间间隔可达10ns,时间间隔控制精度在0.25ns以内。图像处理机最高可实现100万像素1000fps的高速图像处理频率。在硬件设备的基础上,本文开发了RTA-PIV测量软件,该软件可以同步控制RTA-PIV测量仪器的硬件设备,实现分光相机和激光器的时序设置、图像实时采集和存储、空间标定、PIV图像数据处理、流场结果显示和存储等功能。RTA-PIV测量仪在5Ma高超声速实验中测量误差＜1%,满足高超声速风洞试验的使用标准,可以投入高超声速流场测量的工程应用。