自激光发明以来,以多普勒测速技术为代表的光学测量技术蓬勃发展,已然成为目前速度感知中不可或缺的技术手段。早先,人们对多普勒效应的研究中,主要关注波源与观察者之间发生线性的平移相对运动时波的频率变化。近些年来,随着对光场物理维度的探索,人们发现利用相位螺旋分布的光场,能产生一种与物体横向的旋转运动相关联的光频率变化,即旋转多普勒效应。基于旋转多普勒效应发展出旋转多普勒测速技术,为角速度测量研究开辟了新思路。然而,无论是方案还是技术层面,其当前仍面临一些不小的挑战,如方向辨别、多维度测量、远程测量等。一般认为,光场具有丰富的物理维度资源,包括能量、动量和角动量等内禀属性,以及幅度、相位、偏振、频率自由度。在诸多领域如光通信和传感测量中,对光场物理维度的探索往往是研究者们突破信息传输或获取瓶颈的重要途径。因此,将结构光场的多自由度与多普勒测速相结合,将会碰撞出一些新的火花,有望弥补现有的技术缺陷。本文结合目前的研究进展,系统地研究各类结构光场在多普勒测速中的应用,具体内容如下:（1）研究了基于圆偏振相位涡旋光场的方向可分辨旋转多普勒测速仪。针对目前旋转多普勒测速仪在运动方向信息获取上的局限,提出了一种基于圆偏振相位涡旋光场的干涉式旋转多普勒测速方法,即利用光场的圆偏振和轨道角动量,实现对旋转速度大小和方向同时测量的目的。基于该方法,成功在实验中以旋转微粒作为待测对象进行了可行性验证,另外还讨论了探测光与参考光的不同偏振组合情况对测量性能的影响,并断定圆偏振对于该测速系统的方向判别起到关键作用。（2）研究了基于圆柱矢量偏振光场的矢量多普勒测速仪。早前的多普勒测速研究中,通常以标量光场作为探测光,辅以拍频检测手段,难以完整地获取运动速度的矢量信息。对此,提出了一种基于圆柱矢量偏振光场的差分式矢量多普勒测速方法,即利用光场的空间偏振特性,并揭示了一种新颖的矢量多普勒效应。进一步地,在实验中观测了到矢量形式的多普勒偏振信号。另外,实验中还成功演示了矢量多普勒测速仪对于角速度矢量信息获取的优异性能,并进一步实现了对运动微粒的实时位置与角速度的跟踪监测。此外,还讨论了该方法对具有各向异性的旋转运动微粒的适用性,并说明了其在区分各向异性微粒的公转和自旋以及测量其公转角速度和自旋角速度的大小和方向方面的潜力。（3）研究了用于多维运动信息提取的结构光干涉测量法。传统的高斯光束或相位涡旋光束干涉测量法,对于多维运动存在线性与旋转多普勒频移难以区分的问题,导致其在多维运动测量中面临挑战。对此,提出了一种新颖的结构光干涉测量方法,即充分利用结构光场的空间振幅、相位和偏振自由度,实现对多维运动所致的综合多普勒效应中各分量信息的分离与完整提取。进一步地,在实验中对螺旋运动微粒的全矢量信息进行了测量,一次性同时获取了其平移和旋转速度分量的大小和方向的完整矢量信息。（4）研究了基于光纤结构光场的远程多普勒测速仪。提出了基于光纤结构光场的远程多普勒测速方案,其中分别采用了支持相位涡旋模式传输的环芯光纤和支持矢量模式传输的空气芯光纤作为系统中探测光的传输介质,实现了对旋转运动的远程测量。在实验中,首先对采用环芯光纤的差分式旋转多普勒测速仪的远程测速性能进行了测试,其次对采用空气芯光纤的差分式矢量多普勒测速仪的远程测速性能进行了测试,并验证了空气芯光纤发生几何扰动时系统测量结果仍保持准确性。