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介质成分、密度、温度的非均匀性以及克尔效应、电致伸缩等作用会导致介质折射率的连续、非均匀分布，形成梯度折射率。由Fermat原理可知，光线在梯度折射率介质内沿曲线传播，会出现折射和全反射现象，导致辐射传输过程十分复杂。随着科学研究的深入，梯度折射率介质光热辐射传输在光学系统设计、医学成像诊断、大气遥感探测、光纤通信等工程领域中的重要作用逐渐受到重视，迫切需要精确模拟梯度折射率介质内光热能量传输特性，深入了解光热信息传输规律。其核心是研究梯度折射率介质的光热信息模拟和光热参数辨识，光热信息模拟的本质是光热辐射传输的精确求解，目前基于离散辐射传输方程的数值方法存在假散射和射线效应且方向离散不灵活等缺点，无法实现任意方向辐射信息的高分辨率精确求解，而高分辨率辐射信息的准确计算是进行光热参数辨识的前提，因此亟需发展新的适用于求解复杂梯度折射率介质内任意方向辐射强度的求解技术。参数辨识的本质是基于边界光热辐射传输测量信息重建梯度折射率、吸收系数、散射系数等物性参数场，梯度折射率介质的参数辨识属于典型的非线性及不适定性反问题，涉及多参数场协同重建，需要解决重建过程中的病态性、多值性等一系列问题。为此，本文围绕梯度折射率光热辐射特性和参数辨识开展相关研究，主要内容包括以下五个方面：
发展了一种基于有限体积法的广义源项多流法。首先利用有限体积法求出介质内的源项分布，然后根据要求解的辐射强度方向，由龙格库塔射线踪迹法反向追踪确定光线在介质内部的传输路径，沿光线传输轨迹积分就可以得到对应的辐射强度，从而对半透明梯度折射率介质方向辐射信息进行求解。
发展了一种基于辐射传递因子的积分方程法。采用反向蒙特卡洛法计算辐射传递因子数据库，利用辐射传递因子解决其复杂的积分问题，既简化了积分方程的积分过程，又保留了积分方程的精度。同时介质物性不变的情况下，辐射传递因子数据库只需要计算一次，因而又具有较高的计算效率，可以高效灵活地求解方向辐射信息。
基于群体智能优化理论，建立了光热参数反演模型，对半透明介质空间相关和温度相关的折射率和吸收系数进行反演。引进了两种常见的群体智能优化算法（随机微粒群算法SPSO和教与学算法TLBO），并对其进行了改进从而提高其计算精度和计算效率。并根据敏感性分析，提出了两步反演模型，实现了折射率和吸收系数的同时反演。
针对群体智能优化算法无法实现多参数场协同重建及效率低下的问题，基于梯度下降优化理论，建立光热参数场重建模型，对半透明介质的梯度折射率场、吸收系数场及散射系数场进行了重建。引进了求解光滑非线性规划问题的序列二次规划算法（SQP），采用罚函数降低其对初始解的依赖。基于激光辐照半透明梯度折射率介质瞬态辐射导热耦合换热模型，分别对吸收系数和散射系数场、吸收系数和梯度折射率场进行了重建研究，并发展了混合SPSO-SQP算法和两步重建模型，实现了多参数场协同重建。
针对多参数场同时重建存在串扰及未知参数干扰的问题，基于光线弯曲传输理论，建立光线传输模型，根据Fermat原理（光线偏转与梯度折射率的关系）对梯度折射率场进行重建，再根据Bouguer定律（光线衰减与吸收系数的关系）对吸收系数场进行重建，该重建方案既避免了多参数场同时重建的串扰问题，又消除了其他未知参数对梯度折射率和吸收系数重建的影响，从而实现折射率场和吸收系数场的精确重建。
发展了一种基于有限体积法的广义源项多流法。首先利用有限体积法求出介质内的源项分布，然后根据要求解的辐射强度方向，由龙格库塔射线踪迹法反向追踪确定光线在介质内部的传输路径，沿光线传输轨迹积分就可以得到对应的辐射强度，从而对半透明梯度折射率介质方向辐射信息进行求解。
发展了一种基于辐射传递因子的积分方程法。采用反向蒙特卡洛法计算辐射传递因子数据库，利用辐射传递因子解决其复杂的积分问题，既简化了积分方程的积分过程，又保留了积分方程的精度。同时介质物性不变的情况下，辐射传递因子数据库只需要计算一次，因而又具有较高的计算效率，可以高效灵活地求解方向辐射信息。
基于群体智能优化理论，建立了光热参数反演模型，对半透明介质空间相关和温度相关的折射率和吸收系数进行反演。引进了两种常见的群体智能优化算法（随机微粒群算法SPSO和教与学算法TLBO），并对其进行了改进从而提高其计算精度和计算效率。并根据敏感性分析，提出了两步反演模型，实现了折射率和吸收系数的同时反演。
针对群体智能优化算法无法实现多参数场协同重建及效率低下的问题，基于梯度下降优化理论，建立光热参数场重建模型，对半透明介质的梯度折射率场、吸收系数场及散射系数场进行了重建。引进了求解光滑非线性规划问题的序列二次规划算法（SQP），采用罚函数降低其对初始解的依赖。基于激光辐照半透明梯度折射率介质瞬态辐射导热耦合换热模型，分别对吸收系数和散射系数场、吸收系数和梯度折射率场进行了重建研究，并发展了混合SPSO-SQP算法和两步重建模型，实现了多参数场协同重建。
针对多参数场同时重建存在串扰及未知参数干扰的问题，基于光线弯曲传输理论，建立光线传输模型，根据Fermat原理（光线偏转与梯度折射率的关系）对梯度折射率场进行重建，再根据Bouguer定律（光线衰减与吸收系数的关系）对吸收系数场进行重建，该重建方案既避免了多参数场同时重建的串扰问题，又消除了其他未知参数对梯度折射率和吸收系数重建的影响，从而实现折射率场和吸收系数场的精确重建。