多相流在能源等工业生产中具有广泛应用,深入了解多相流机理有赖于对多相流中颗粒相的三维定量测量。全息术是一种真正的三维照相技术,在三维测量中具有巨大的潜力,应用数字全息技术对颗粒流场进行三维测量研究具有重要的科学意义及实用价值。针对数字颗粒全息同时测量瞬态颗粒场的三维位置、粒径形貌、三维速度甚至旋转特性进行了系统的理论分析、数值模拟和实验研究。在颗粒全息理论上,基于广义米散射理论,建立了椭圆高斯波束入射下多颗粒、任意角度的数字颗粒全息模型,发现了颗粒全息图条纹具有同心椭圆环、同心圆环、马鞍形双曲线和平行条纹四种典型的条纹结构,应用德拜级数揭示了近场下透明球形颗粒的侧向全息图具有双圆环结构的形成机理。应用矩阵光学,建立了具有透镜成像系统的颗粒同轴全息图模型,获得了聚焦、离焦甚至象散成像系统中颗粒的全息特性,该模型可以用于描述如圆管等曲面容器内颗粒全息测量系统。结合颗粒光散射与ABCD矩阵光学,提出了联合光散射与光衍射的任意方向上、具有透镜成像系统的颗粒光学成像测量系统模型。在颗粒全息图信息处理上,通过在传统对称重建核函数上增加相位补偿的重建因子,提出了改进卷积重建算法与非对称小波重建算法,重建具有象散的椭圆高斯激光光束照射下的颗粒全息图；对比研究发现,基于小波域内亮度梯度局部方差方法能有效定位重建的气相、固相和液相颗粒。发现在DHPTV的两帧颗粒全息图中,重建颗粒聚焦曲线在z轴上具有空间相关性,提出了利用聚焦曲线的空域互相关直接获取颗粒三维速度,从而避免颗粒z轴定位误差而引起三维速度误差；指出了DHPTV测量非球形颗粒旋转时,颗粒尺寸、速度、旋转速度需满足的关系式,旋转速度可以通过重建颗粒图像的形貌特征点匹配技术来测量。构建了数字颗粒全息测量系统,系统标定结果表明,该系统能够准确测量颗粒形貌粒径,在80.Omm到240.Omm范围内的颗粒定位绝对误差小于500μm,相对误差小于2.5%,z轴位移误差平均值约50μm,位移相对误差为10%左右。采用CPU+GPU异构并行重建全息图,处理速度提高了15倍。在此基础上,应用数字颗粒全息测量系统,对煤粉射流燃烧中燃烧的煤粉颗粒、电解池中电解气泡、圆管内颗粒、微通道内微流体以及近壁面边界层进行了测量,获得了被测颗粒场粒径形貌、三维位置及三维速度。本文的研究发展了基于数字全息的颗粒流场三维测量技术,为深入研究颗粒动力学提供了实验手段。