随着航空工业的发展,发动机推力、比重等性能不断提高,涡轮叶片运行时的温度也随之升高。由于长期工作在高温高压的极端环境中,导致涡轮叶片可靠工作寿命减少、材料强度降低。因此为保障航空发动机的安全运行,对发动机涡轮叶片温度精确测量的需求越来越迫切。传统的接触式高温计已无法适应如此严苛的工作环境,因此响应速度快、测温上限高、动态范围广的辐射测温技术在涡轮叶片温度测量领域得到了广泛关注,提高辐射测温精度对航空发动机稳定安全运行具有重要的意义。同时,在航空发动机运行时,燃烧室内高温燃气的状况直接影响涡轮叶片表面热辐射分布状态以及发动机的工作效率。因此通过测量燃烧产物中各气体组分的浓度百分比,调控燃料与空气的最佳混合比例,对实现燃油最佳燃烧效率,提高航空发动机的工作效率并减少污染物排放具有重要的意义。本论文针对航空发动机工作过程中涡轮叶片温度以及燃气浓度的测量需求,提出了基于谱窗移动的涡轮叶片温度测量算法和被动式高温燃气浓度反演算法,实现了涡轮叶片温度和高温燃气浓度的高精度反演。本论文的创新研究工作主要包括以下五个部分:1.开展了涡轮叶片光谱辐射测温相关理论研究,针对目前航空发动机涡轮叶片多光谱辐射测温中普遍存在的因发射率预测不准而严重影响温度反演的准确性问题,提出了一种基于窄带谱窗移动的涡轮叶片光谱测温算法。利用窄谱段内被测物体发射率随波长变化缓慢的特点,采用Mahalanobis距离定义两曲线间的相似距离描述两曲线的相关系数,在无需预设发射率模型的前提下实现了高温合金样品表面的温度场反演。2.开展了高温燃气分子吸收光谱理论研究,结合HITEMP光谱数据库和航空发动机燃烧产物对发动机不同工况下高温燃气光谱辐射吸收特性进行分析建模。通过对高温燃气非标况下线强计算、谱线线型选择及谱线增宽效应计算燃气光谱透过率分布,确定了不同燃烧产物的特征吸收峰。3.完成了高温合金样品光谱辐射测温实验系统设计和实验平台搭建。利用光栅光谱仪测量了DD6、DZ125、K77三种镍基高温合金样品的光谱发射率分布特点。使用窄带谱窗移动算法对上述高温合金样品进行表面温度场重构,通过与热电偶测量结果进行对比,验证了窄带谱窗移动测温算法对不同表面发射率样品温度测量精度。4.完成了航空发动机高温燃气浓度反演算法理论研究,提出了基于被动式航空发动机高温燃气浓度反演算法。通过对高温燃气光谱辐射传输过程进行建模分析,利用高温燃气光谱的选择吸收特性对背景辐射以及高温燃气辐射进行分离,同时对背景辐射光谱和高温燃气辐射光谱进行实时提取,求解高温燃气的光谱透过率分布,利用非线性最小二乘法对测量光谱透过率和理论光谱透过率拟合,实现气体浓度的反演。5.完成了高温气体浓度测量实验系统的设计和平台搭建,设计了三段式石英高温气体池,高精度配气系统。利用被动式燃气浓度反演算法对高温二氧化碳气体浓度进行测量,通过与配气系统设定浓度结果进行比较,验证了浓度反演算法的可行性和有效性。同时在高温燃气辐射传输模型的基础上,计算并分析了光谱测量系统的噪声等效辐射亮度和噪声等效柱浓度,评估了测量系统在不同测量条件下气体的浓度检测下限。