在高温工业设备中,温度是非常重要的热工参数之一,通过对火焰温度分布的实时测量,能够进一步计算火焰的浓度和密度分布,探讨出包括燃烧反应的速率、燃烧产物的生成、燃烧火焰的结构等物理过程和化学机理,全方位了解燃烧过程,进而对火焰燃烧效率做出准确评估。目前的火焰测温通常在涉及参与性介质内辐射传输的计算时,总是以均匀介质作为假设前提,但由于工业生产中的火焰内部介质折射率往往因其温度、压强或组成成分等因素呈现不均匀分布的状态,因此,本文在现有的火焰图像法温度测量技术基础之上,提出了一种考虑介质折射率梯度的火焰三维温度场测量方法。本文首先详细叙述了基于直角坐标系的有限体积法求解梯度折射率介质辐射传输方程的理论过程,然后结合有效介质理论和火焰辐射光线追迹原理,提出了梯度折射率介质下的火焰辐射传输模型。分别针对辐射平衡问题及传热平衡问题,通过数值模拟的方式分别计算了一维和二维梯度折射率介质内的温度场和边界的辐射热流密度,通过与文献中的结果对比,验证了梯度折射率介质辐射传输模型求解结果的正确性。并将该方法应用到三维火焰辐射模型中,分别研究火焰尺寸和火焰内部炭黑颗粒浓度对火焰成像和火焰重建结果的影响。结果表明,在火焰成像过程中,火焰的尺寸越大,内部炭黑颗粒浓度越高,传统的均匀介质辐射模型和梯度折射率介质辐射模型的成像差异就越大;而在火焰重建过程中,同样的,火焰尺寸越大,两种模型的重建效果差异越明显,炭黑颗粒浓度也对火焰重建效果有一定的影响,在碳氢火焰的大致范围内,随着炭黑浓度的增大,梯度介质模型的重建精度呈现先增大后减小的趋势。开展了折射率对光线影响的实验研究,通过激光光斑的中心位移和光斑面积大小的改变验证了火焰三维温度场重建过程中考虑折射率梯度的必要性;然后搭建了火焰辐射三维温度场测量实验系统,采用梯度折射率介质下的火焰辐射传输模型对相机采集得到的火焰图像进行三维温度场反演计算,并将重建出的三维温度场分布结果与实验中热电偶探测到的温度结果以及参考文献中均匀介质模型三维温度场结果进行对比,与均匀介质模型的三维结果相比,梯度介质模型的重接结果要更精确;基于研究的梯度折射率介质下的三维温度场重建算法,开发了一套火焰三维温度场在线测量系统并完成了系统测试和评价。