携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）的OAM波束是一种特殊的电磁波,其相位分布在空间中呈螺旋状。与平面波相比,OAM波除了可以在时域、频域和极化域上携带信息,还为信息调制提供了新的自由度。OAM波的优异特性使得其在无线通信、雷达成像、运动目标探测等领域展示出了极高的应用价值,吸引了学者的广泛关注。本文围绕OAM波的产生、多普勒探测原理以及逆散射成像等方面展开了深入研究,主要工作包括:目前已有众多产生OAM波的方法,但如何产生小发散角、高纯度的OAM波束仍然是一个很大的挑战。针对这一问题,本文首先基于超表面波束调控的原理,设计了可以产生OAM波束的透射型超表面天线。在此基础上,完成了天线的仿真和实验测试,仿真与实验结果表明,该天线产生的OAM波束具有模式纯度高、波束发散角小等特点。接着,着重研究了非理想情况下的旋转多普勒效应,推导了OAM波雷达的回波方程,指出OAM波雷达引入的角多普勒频移,可以解决平面波雷达在探测旋转目标时存在的“盲区”问题。针对慢速旋转目标,分析了OAM波相位中心与物体旋转中心不重合的情况,利用所设计的OAM天线完成了角速度的测量,测量误差能够控制在1%以内。这些结果表明,在旋转目标的探测上,OAM波探测技术能够与现有的平面波探测技术形成互补,提高了雷达获取目标信息的能力。最后,基于OAM波的相位特性,本文初步探索了OAM波在逆散射成像方面的应用。在OAM波逆散射成像模型的基础上,采用Tikhonov正则化方法对线性化后的成像方程进行了求解,讨论了模式纯度对成像质量的影响。仿真结果表明,OAM波的模式纯度越高,成像的质量越好。因此,设计产生高纯度OAM波的天线对逆散射成像的发展有着积极意义。