高超声速流动气动光学主要研究由高超声速可压缩流动引起的气动光学问题。它对高超声速飞行器探测或寻的系统设计以及高超声速流场光学测量技术发展有着重要意义。其难点在于（近）连续流区的高超声速流动气动光学研究。同时，不同于低速流动气动光学，高超声速流动中往往存在稀薄气体效应以及激波干扰等对气动光学效应会产生严重影响的因素。在数十年的发展中，高超声速流动气动光学研究主要困难在于：传统气动光学研究是基于连续介质理论的，这种层次的理论认知并不适用于高超声速流动气动光学研究，需要基于更普适的Boltzmann方程从理论上深入流场认知。同时，传统基于Boltzmann方程的数值方法，在处理高超声速稀薄流动中表现出色。但随着Knudsen数减小，计算量会快速增大，从而不适用于高超声速流动气动光学研究。　　因此，本文以深入认知高超声速流动机理为出发点，基于Boltzmann方程，提出适用于高超声速流动研究的数值方法及气动光学机理分析方法，对高超声速流动引起的气动光学效应进行分析，并实现对高超声速流动机理的深入认知。本文的主要工作有：　　针对高超声速流动数值方法在小Knudsen数情况下的不足，提出了具有渐近保持性质的DSMC方法，解决了传统方法在（近）连续流区的刚性问题。该方法适用于大范围Knudsen数高超声速流动的数值模拟，并能满足气动光学研究中对流动信息的需求。　　基于直接模拟方法，提出了适合于高超声速气动光学机理分析的方法并完成相关数值方法的校验。其中包括：流场数值模拟方法的参数自适应和基于CFD网格的直接模拟光线追踪技术。　　完成了高超声速流动气动光学机理分析研究。针对典型高超声速流动气动光学问题，建立了气动光学评价量与主要流动相似参量之间的关系式。　　本文的创新点在于：提出了基于Boltzmann方程的高效数值方法，以及适用于高超声速气动光学机理分析的方法。并利用所提方法对高超声速气动光学机理进行了分析，完善了对高超声速流场中稀薄效应影响的认识，从而进一步认知了高超声速流动气动光学机理。本文的工作建立了对高超声速气动光学机理研究的理论方法，指出了更普适流动理论进行流场认知的重要性，实现了对高超声速流动气动光学机理的深入认知，并为今后深入机理与应用研究提供重要理论依据。