作为信息载体的电磁波除了传统携带信息方式外,近年来其相位波前信息调制能力越来越受到关注。其中,轨道角动量是电磁波一个重要的尚未加以充分利用的物理量,当对传统电磁波加载轨道角动量调制时将形成涡旋电磁波,其相位波前呈现出螺旋形的结构,可在其上调制所需的信息,提高电磁波的信息传递和信息获取能力。本文基于电磁涡旋基础理论,探索涡旋电磁波在雷达成像中的应用,重点对电磁涡旋成像原理、面向雷达成像应用的涡旋电磁波产生与辐射场优化方法、涡旋电磁波测量与目标散射特性、电磁涡旋成像目标重构方法等关键问题进行了深入研究,为电磁涡旋成像技术的发展奠定了理论与方法基础。本文首先介绍了课题研究背景与意义,阐述了涡旋电磁波与轨道角动量之间的物理关系;通过与传统电磁波比较,研究了不同极化条件下的涡旋电磁场分布与变化特性、涡旋电磁波传播特性等,为涡旋电磁波在雷达成像中应用的研究提供理论基础。基于电磁涡旋基础理论和电磁涡旋成像基本原理,本文建立了“多发多收”和“多发单收”两种工作模式下的成像数学模型,提出了基于傅里叶变换和逆投影的成像处理方法;提出了斜视观测场景下电磁涡旋成像建模与成像处理方法;通过与传统阵列成像技术的比较,总结精炼了电磁涡旋成像的主要特点与性能优势,指出了涡旋电磁波在雷达目标高分辨成像领域的应用潜力。面向雷达成像应用需求,本文对基于天线阵列的涡旋电磁波产生技术进行了深入研究,主要包括:建立了基于天线阵列产生涡旋电磁波的统一模型,并提出了采用不同阵列构型产生涡旋电磁波的方法,分析了涡旋电磁场分布特性的主要影响因素;基于有向阵元和同心圆环阵列,提出了携带不同拓扑荷数的涡旋电磁波辐射方向图主瓣指向校准和旁瓣抑制方法;设计了紧凑型、高增益平面喇叭天线,采用同心圆环阵列构型,提出了X波段涡旋电磁波产生方法。涡旋电磁波测量和目标散射特性是电磁涡旋成像技术中另一个基础而重要的科学问题。本文提出了基于轨道角动量守恒规则的涡旋电磁波拓扑荷数快速测量方法;提出了X波段涡旋电磁场辐射源设计方案,建立了通道误差存在条件下的辐射场特性分析模型,在微波暗室中首次开展了基于天线阵列产生涡旋电磁波的测量实验,并基于实验测量数据提出了涡旋电磁场处理与分析方法;本文给出了基于轨道角动量的雷达散射截面的定义,建立了涡旋电磁波与雷达目标相互作用描述模型,首次获得了金属平板和圆柱体等典型目标的ORCS特性曲线,为电磁涡旋成像技术中目标分辨机理和成像处理方法等研究提供了理论支撑。在电磁涡旋成像处理方法方面,本文主要提出了两类方法:一是基于傅里叶变换和谱估计的目标重构方法,二是基于稀疏贝叶斯学习的高分辨成像方法。基于线性调频信号和均匀圆形阵列,本文推导建立了电磁涡旋成像模型,并提出了成像处理流程;基于同心圆环阵列,提出了辐射场设计与成像建模方法以及成像处理方法,分析比较了其相对于均匀圆阵成像的性能优势;首次开展了暗室中电磁涡旋成像实验,实验测量数据处理结果表明了本文所提成像方法的有效性及其对于噪声干扰的鲁棒性,初步验证了利用涡旋电磁波对目标进行高分辨成像的能力;本文建立了电磁涡旋成像稀疏表示模型,提出了基于SBL框架的高分辨目标图像重建方法,提出了波束扫描后的稀疏成像建模与目标重构方法,通过对实验测量数据的处理与分析,验证了本文所提高分辨成像方法的有效性。本文研究工作建立并形成了电磁涡旋成像理论与方法体系,不仅丰富了电磁涡旋基础理论与应用技术,同时也为新体制雷达探测和成像技术的发展提供了有益的借鉴。