云滴速度是描述云雾变化过程的重要物理量之一,它的起伏对于云降水机制的研究、凝结核增长过程、云中湍流的耗散过程等都有着重要参考意义。作为非接触、弱干扰的光学云雾探测仪器,同轴数字全息干涉术（DHI）具有时空分辨率高、实时记录云雾状态、长时间连续观测的特点,因此被认为是精准获取云滴三维空间分布和运动状态的重要方法。它可为云微物理参量分析、湍流三维速度场构建、云滴与湍流的跟随性研究提供数据支持。论文针对高分辨率同轴DHI装置探测云滴三维速度的相关方法开展了实验研究,主要的研究工作如下:论文提出了粒子三维位置与粒径识别的高精度算法,在小视场和高浓度粒子场中实现了云滴速度的精准测量。为了提高粒子在x、y轴方向（相机靶面）定位精度,设计了三阶拉普拉斯塔形图像自融合算法,抑制了部分离焦粒子衍射像的干扰。搭建同轴DHI装置后,通过测量点阵列衍射板上的10μm、50μm和100μm粒子的直径对测速装置进行了标定,结果表明x轴和y轴的定位误差为3.7μm。对于粒子在z轴方向的位置判定,采用了灰度梯度方差判焦算法生成判焦曲线,并使用高斯拟合对梯度方差曲线的中心缺陷进行修正,结果表明z轴定位误差为17.8μm。通过同轴DHI装置开展了湍流场粒子测速的原理实验研究,测得的粒子速度矢量大小与仿真结果相近。采用景深扩展与图像自融合相结合的方法,同时提取了 8张全息图的粒子,实现了湍流场中232个粒子的三维速度观测,粒子速度的提取效率提高了 3倍。基于Basset-Boussinesq-Oseen（BBO）方程的数值解,分析了云粒子尺寸对跟随性的影响,结果表明云滴平均体积直径的相关性也能反映湍流的时间特征。设计了雾化器观测实验,从雾滴的平均体积直径起伏中提取了微小湍流场的时间尺度。最后,利用时间相关函数从湍流场的速度脉动中提取了湍流的时间尺度,又从粒子的位移数据出发,利用空间相关函数求解了湍流的空间尺度。通过云室实验验证了同轴DHI装置对自然界中云滴观测的可靠性。引入显微物镜使同轴DHI装置的放大率达到5.9倍,并进行了北京膨胀云室的云雾过程观测,提取了云滴的三维位置和微物理参量。将系统放大率降低至4.1倍后,分别观测和提取了云雾稳定状态和消散状态下的湍流速度场。在云雾消散过程的平均体积直径和尺寸分布两方面,比较同轴DHI装置和雾滴谱仪,结果表明两种仪器对云滴的测量结果具有较好的一致性。最后,在六盘山地形云野外试验基地连续观测了地形云。为了消除高速云滴粒子的拖尾影响,根据图像检测方法获取了拖尾粒子的直径和速度并修正,修正后的全息粒子测量结果与雾滴谱仪的结果仍保持良好的一致性。