层析粒子图像测速(Tomographic Particle Image Velocimetry,简称层析PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段,可以解决粒子重叠、复杂流场结构测量误差大等传统PIV系统的测量难题,并可获得相应的压力场、声场等多种物理场信息,对于非定常流动现象的研究有着重要意义。本文基于真实风洞测量背景,对层析PIV中的关键技术进行研究,推导更加准确的三维粒子场成像数学模型;然后应用该模型对三维粒子场进行精确重建,对其中影响因素进行了详细分析;并应用相应算法将其转换成三维速度场,对速度场误差进行定量分析;最后基于以上研究搭建层析PIV数值模拟试验平台。具体研究包括三维粒子场成像、三维粒子场重建、三维速度场运动分析等几大部分,在三维粒子场成像中,设计了两种激光照明系统用于流场照明,对流场中示踪粒子的选择和布撒方式作了讨论,并对示踪粒子的光散射特性进行了分析,基于CCD相机的成像和示踪粒子散射原理,建立了精确的粒子场成像模型,并对该模型进行了仿真验证,证明了该模型的有效性。然后,基于推导生成的粒子成像模型对三维粒子场重建算法进行了分析,并比较了各种三维重建算法,阐述了MART三维重建算法的适用性,对该算法进行模拟仿真,同时对影响重建结果的因素和重建算法的运算速度及内存进行了讨论。最后,在三维速度场运动分析中,介绍了运动分析理论,对其中关键的FFT快速互相关算法进行了讨论及仿真,编写程序实现了速度场的三维重建,并对其结果进行了定量分析。最后,编写图形用户界面程序,将以上各个软件模块集成到层析PIV数值模拟试验平台软件中,对层析PIV中的数学模型和重建算法的参数输入和运行结果进行了可视化显示。搭建层析PIV数值模拟试验平台没有高昂的设备成本,并且可以对其中的关键性算法进行仿真验证,对算法的有效性进行定量分析。层析PIV数值模拟试验平台可用于指导实验设计、规划和误差分析等,其中的三维重建软件和运动分析软件可以直接用于实验中。同时本文在原有层析PIV算法上,提出更加有效的示踪粒子成像模型,对三维粒子场的精确重建有着至关重要的作用,基于该模型的三维重建算法的改进,进一步提高了保证粒子场重建的适用性。通过本文的研究有利于促进国内三维层析PIV技术的发展,并对该技术在实际风洞的应用提供了很大的帮助。