近年来,经济和科技飞速发展,信息化的进程也越来越快,其中作为信息载体的电磁波,在相关成像领域的应用为人们的生产生活带来了极大的便利,但是仍无法满足人们日益增长的生产生活需求。作为电磁波的一个全新物理量,轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)为电磁波提供一个全新的相位自由度,因此,相关学者们对轨道角动量进行了大量的研究。涡旋电磁波是一种携带轨道角动量的特殊电磁波,理论上OAM模式数目是无限的,且不同OAM模式之间相互正交并在空间独立传播,张成无穷维的希尔伯特空间,有望被用于成像领域来提高成像分辨率。涡旋电磁波的产生是其应用的前提,本论文围绕涡旋电磁波的产生及其在成像领域应用这个中心命题,开展了空气中宽带多OAM模式涡旋电磁波的产生、水中涡旋电磁波的产生以及电磁涡旋成像算法方面的研究。本文主要工作与创新点如下:1、基于涡旋电磁波的应用前景,分析对天线带宽和OAM模式数的需求。提出了N臂阿基米德平面天线结构,并讨论了该天线结构产生宽带多OAM模式电磁涡旋波的原理;研究了各种参数(臂数、增长率、臂宽、内外半径等)对天线带宽和OAM模式数的影响;2、为了实现空气中宽带多OAM模式涡旋电磁波的产生,提出了电流截断反向原理,并设计了八臂阿基米德平面天线结构,仅调控阿基米德平面天线的内外径大小和控制馈电网络,就可以在1.9~3GHz宽带范围内实现3对(极化和OAM模式相反)OAM模式涡旋电磁波的产生,最后通过仿真模拟、样品加工和实验测试来验证提出的天线结构的有效性;3、为了实现水下涡旋电磁波的产生,提出了介质加载浸水喇叭阵列天线。首先设计了陶瓷介质加载单天线,通过在天线矩形波导结构中填充相对介电常数合适的陶瓷,在满足阻抗匹配的前提下,实现天线结构的更好密封,降低装配和实验难度;随后建立八阵元阵列天线仿真模型,并通过两种仿真软件仿真验证了水下涡旋电磁波的产生;4、为了实现水下宽带多OAM模式涡旋电磁波的产生,首先提出了浸水同轴匹配结构,用水作为同轴匹配结构的填充介质,不仅可以在2.1~4GHz的宽带范围内实现水下电磁波的发射,还可以降低加工和装配的难度,为水下涡旋电磁波的产生奠定基础;基于宽带单天线结构,仿真模拟、加工组装并实验测试八阵元宽带阵列天线,仿真和实验结果证明,该阵列天线可以在2.1~4GHz的宽带范围内生成高质量的水下涡旋电磁波,且生成的涡旋电磁波可以在水中传输足够远的距离,满足实际应用的需求。最后,为了生成和检测携带复合OAM模式的涡旋电磁波,提出了基于完美复合相位法和同心双环阵列法的复合OAM模式生成方法,以及基于无源阿基米德缝隙天线的复合OAM模式检测方法,仿真结果证明上述生成和检测方法都具有可行性;5、基于均匀圆形阵列,建立了水下电磁涡旋成像模型;推导水下目标的电磁涡旋成像的距离和方位向分辨率理论公式,并分析讨论影响成像分辨率的因素;采用傅里叶变换和AR谱估计的成像重建算法实现目标重构,并进行仿真验证,仿真结果证明AR谱估计成像重建算法具有更高的分辨率,但是傅里叶变换重建算法生成的图像中目标物的散射强度更加接近真实值。本文的研究工作实现了空气中和水下宽带多OAM模式涡旋电磁波的产生,为涡旋电磁波的相关应用奠定了坚实的基础。基于水下目标,建立相对应的涡旋电磁成像模型并进行仿真验证,为涡旋电磁波应用领域的扩展和成像技术的发展提供了有益的借鉴。