本文设计了层流化、低噪声运行的超声速混合层风洞,开发了一种新的超声速流动定量成像技术。以该风洞和成像技术为基础,从时空结构、信号特征、动力学行为和光学传输特性的角度对混合层流场进行了深入的研究。提出了超声速混合层风洞的气动与结构设计方法。为保证风洞喷管的层流化运行,提出了基于B-样条曲线的可调型面喷管设计方法,并以数值模拟技术验证了设计方法的可靠性。采用纹影仪和压力测量系统对所设计的风洞进行了调试与流场校测,结果表明:风洞低速层压力可连续调节,形成了层流化、压力匹配的超声速混合层,且实验段的结构便于定量流动成像技术的实施。为解决当前超声速混合层精细结构测量和流动显示所面临的问题,提出了基于纳米粒子的平面激光成像技术(NPLI)并进行了系统的研究。该项技术采用纳米粒子作为示踪粒子,以脉冲平面激光作为光源,能够实现超声速复杂流场结构的高时空分辨率和高信噪比成像。对影响NPLI系统性能的因素进行了深入探讨。研究了纳米粒子在超声速流场中的跟随性,并采用斜激波校准方法测量了粒子直径。根据光散射理论,分析了纳米粒子的激光散射性能。结果表明,NPLI方法比其它粒子成像方法有更好的示踪性能,比基于分子成像的方法有更高的光散射强度,满足了超声速流动成像对跟随性和信噪比的双重要求。NPLI技术和设备为超声速混合层实验研究提供了重要的技术支持。流向NPLI实验图像展现了超声速混合层从层流到涡结构产生、发展直至破碎的整体结构,并且在展向NPLI图像中发现了一种新的涡结构。通过对大量NPLI图像的比较与分析,深入研究了混合层流场的空间结构和时间演化特性。研究结果表明:来流流场品质对混合层流向结构有十分重要的影响;混合层的三维涡结构具有快运动、慢变化的特征;压力不匹配混合层流场中存在激波与边界层、涡结构相互作用的现象。流动控制实验表明,单波长和三维扰动片具有明显的混合增强功能。根据NPLI技术的特征,提出了一种超声速流动密度场测量的新方法,实现了混合层密度场的高分辨率定量测量,并根据混合层涡结构的空间特征对密度场进行了三维近似重构。采用傅里叶变换和小波变换技术,实现了混合层密度脉动信号的频谱与多分辨率分析,结果表明:信号的频域特性与流场的涡结构相对应,不同层面的离散小波系数反映了不同尺度下信号与图像的细节和平滑近似特征,连续小波变换系数图定性的反映了信号的自相似特征。NPLI图像的高分辨率特征为超声速混合层的分形研究提供了有力的实验数据支持。研究结果表明:混合界面在不同尺度下具有很好的自相似性;分形维数可定量的度量混合界面的破碎程度;在完全发展的混合层中,虽然流场结构各不相同,但其分形维数基本不变。分析了超声速PIV系统的硬件及算法应具备的性能。利用NPLI系统的粒子发生系统解决了超声速PIV技术的粒子跟随性问题。以该系统为基础,研究了超声速混合层的速度场结构,结果表明:超声速混合层前段主要受来流边界层的影响,体现为速度的剪切;中段涡卷起的区域具有周期性的结构;涡结构向混合层两侧翻转的速度是非对称的;相对速度矢量图和对应的流线图所反映的拓扑结构与原始粒子图像相对应。背景纹影技术(BOS)是新近提出的一种定量流动成像技术,本文通过分析BOS系统的基本原理、工作方式和误差来源,开发了可用于超声速流场结构及其气动光学特性分析的BOS装置。以该装置为基础,研究了混合层密度梯度场的空间结构和时间演化特征。结果表明:不同对流马赫数的混合层流向和展向BOS图像均具有周期性的结构,体现了流场造成的气动光学畸变特征;时间相关BOS图像反映了涡运动造成的气动光学抖动效应。