作为热量传递的三种基本形式之一,辐射传热涉及能源科学、航空航天、材料工程、生物医学等诸多领域,辐射传输过程中能量传递的精确模拟对于上述领域相关传热技术的发展至关重要。同时,热辐射也是光热信息传输的载体,高方向分辨率辐射强度信号的精确求解对于目标探测、红外成像、燃烧诊断、温度测量、大气遥感等高新技术的发展具有十分重要的意义,可为辐射物性参数场和温度场等多宗量信息重构提供丰富的测量信息。而辐射传递方程的精确高效求解是获取辐射强度信息的关键,也是分析热辐射相关问题的基础。由于光热辐射传输具有复杂的光谱性、方向性、延程性和全空间效应,导致其精确数值求解比较困难。目前发展的多种辐射传递方程求解方法均存在不同缺陷,亟需发展一种能够高效精确求解多维复杂参与性介质中高方向分辨率辐射强度信息的计算方法。本论文基于辐射分配因子与格林函数思想,发展了三种高效求解任意方向辐射强度的辐射传递方程计算方法,并将其应用于与光场成像系统相结合的三维高温火焰的温度场重建。论文主要研究内容如下:基于辐射传输光迹可逆的思想,提出表征辐射能量在介质中定向传输分配比例关系的方向辐射分配因子和全局辐射分配因子,利用这两种辐射分配因子将光谱辐射物性与介质黑体辐射源项剥离,并将复杂的光热辐射传输物理过程通过辐射分配因子直接与介质黑体辐射源项（温度）相关联,建立了基于辐射分配因子与黑体辐射源项乘积的任意方向辐射强度计算模型,当准确获取介质的辐射分配因子分布后,任意方向辐射强度求解计算变得十分简便且高效精确。进一步发展了获取介质辐射分配因子数据库的标准反向蒙特卡洛法概率统计方法,实现了全局辐射分配因子和方向辐射分配因子的准确模拟。为克服标准反向蒙特卡洛法模拟非均匀介质辐射传输时的低效性,通过改进光子追踪轨迹,发展了辐射分配因子采样效率更高的“零碰撞”反向蒙特卡洛方法。同时,建立了辐射分配因子的精度评价体系和收敛准则,为评估辐射分配因子的不确定度和反向蒙特卡洛法的光子采样截止判据提供理论指导。根据光谱辐射分配因子仅与介质辐射系统几何形状和辐射物性相关的特性,将其引入积分形式的辐射传递方程,并推导出由辐射分配因子表示的介质散射增强源项与边界反射增强源项的解析表达式,结合沿探测路径的积分方程法思想,发展了一种求解复杂多维参与性介质内高方向分辨辐射强度的RDFIEM方法。考察了反向蒙特卡洛法追踪光子数与SPN型立体角离散格式对RDFIEM计算内存需求、计算精度与效率的影响,并给出了最佳的光子数与SPN型立体角离散格式组合。进一步验证了RDFIEM求解不同参与性介质辐射特性和壁面反射特性的三维非均匀介质辐射传输问题的适用性与准确性。此外,由于辐射分配因子数据库具有在确定的介质辐射系统中只需计算一次的特点,RDFIEM在计算大规模高方向分辨率辐射强度信号时具有极高的计算效率。基于格林函数思想,提出了一种基于矩阵辐射传递方程求解辐射分配因子的ES-RDFIEM解析方法,开辟了计算辐射分配因子数据库的新思路。将复杂参与性介质内辐射传输物理过程解析为类似点源格林函数的逐点单位黑体辐射源激励下的辐射传输效应叠加,根据辐射传递方程建立基于辐射分配因子的辐射源项、投射辐射和空间辐射热流散度等辐射积分参量解析计算关系式,并通过求解线性矩阵方程组来构建辐射分配因子数据库,从根本上避免了传统反向蒙特卡洛法光子追踪耗时严重和存在随机统计误差问题,提高了辐射分配因子的计算速度和计算精度。将ES-RDFIEM方法分别应用于求解一维各向同性散射、各向异性散射和漫射边界条件下的辐射传输问题,逐步拓展至三维非均匀各向异性散射介质,并深入分析了辐射吸收特性、散射特性和边界条件对ES-RDFIEM计算精度和效率的影响,结果表明ES-RDFIEM具有与反向蒙特卡洛法相当的计算精度且对于一维介质辐射传输问题其计算效率可提高约2-3个数量级。最后,将上述基于辐射分配因子的辐射传输求解方法应用于三维高温火焰温度的非接触式测量,建立了RDFIEM与多相机成像系统、ES-RDFIEM与光场相机成像系统相匹配的高方向分辨率光热信息快速准确获取模型,发展了基于非负先验信息的Lp范数正则化方法与梯度下降法相结合的辐射反问题求解技术,实现了三维复杂非均匀火焰温度场分布的准确重建。通过在测量噪声干扰下对包括辐射物性、散射特性、反射特性和火焰模态等不同条件下火焰温度场重建的研究,证明了RDFIEM和ES-RDFIEM应用于火焰非接触测温的适用性与有效性。研究结果表明火焰三维温度场重建过程中需要充分考虑相机的方位布置、像素的采样方式、测量噪声水平以及火焰的非规则性。