弥散介质广泛存在于发动机羽流、生物组织、炉膛火焰,红外涂层、气溶胶颗粒和陶瓷热防护材料等领域,其内部光学参数场分布是研究辐射传输过程的基础,但是大多数情况下,介质内部的光学参数场分布是未知的。这些内部参数场不能直接测量获得,需要利用最优化算法重建得到。在目前的光学参数场重建研究中,普遍存在反问题求解效率偏低、重建结果误差较大等问题,特别是吸收系数和散射系数等多光学参数场同时重建时的串扰(cross-talk)问题仍未解决。因此,亟需发展高效、准确、鲁棒性好的光学参数场重建技术。本文围绕弥散介质光学参数场重建这一主题,相继以扩散近似模型、频域辐射传输方程和时域辐射传输方程为基础开展研究,逐渐提高算法的精度和求解效率,最后构建了高效、准确的重建算法并克服了串扰问题。主要工作可以分为以下几个方面:首先,对弥散介质内光学参数场重建问题和基于梯度的数值最优化算法进行了系统的介绍,重点对共轭梯度法进行了阐述,分析了光学参数场重建技术的核心问题,并采用基于广义高斯-马尔克夫随机场模型的正则化技术克服光学参数场重建问题的病态特性,以扩散近似方程为正问题模型,共轭梯度法为反问题求解算法,重建出了介质内的吸收系数、约化散射系数和扩散系数场,重建的光学参数分布图像能够清晰地显示出介质的内部结构,而且正则化技术有效地提高了重建精度。其次,针对扩散近似方程仅适用于散射占优介质的局限性,开展适用于任意弥散介质的基于频域辐射传输方程的光学参场重建研究,分别考虑伴随差分法和伴随方程法来求解目标函数关于光学参数的梯度,结合共轭梯度法同时重建散射占优介质和吸收散相当介质内的吸收系数场和散射系数场,结果表明改进的伴随差分法能够准确地求解频域模型的目标函数梯度,伴随方程法能够采用简易的光源模型有效重建介质内的光学参数场。为了进一步提高光学参数场重建技术的精确性,基于时域辐射传输方程开展重建算法研究;采用多次启动技术提高了共轭梯度法的收敛效率和精度,基于时域信息重建的结果精度明显高于基于频域的结果;针对目标函数梯度求解和精确一维搜索消耗大量计算时间的问题,提出基于序列二次规划算法结合伴随方程法来提高重建效率,构建了一种效率和精度兼并的时域光学参数场重建算法,能够快速、准确地重建出弥散介质内的吸收和散射系数场,而且表现出了很好的鲁棒性;继而将时域光学参数场重建技术引入了荧光成像的研究中,能够同时准确地重建出不同对比度的荧光团图像。最后,采用时间相关单光子计数器和多通道光开关搭建了多维时域红外辐射信号测量平台,对测量系统的稳定性、单光子计数器的主要参数进行校验;通过环氧树脂分别制作了光学参数均匀和非均匀的仿体,测量了超短脉冲激光作用下不同仿体的出射信号,测量信号与时域辐射传输方程的模拟信号吻合得较好,通过测量信号能够准确地重建出非均匀仿体内的吸收和散射系数场,验证了算法的有效性。