轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)作为电磁波的一个重要且尚未充分利用的基础物理量,在物理层提供了一个新的信息调制维度，大大提升了电磁波的信息调制能力,近年来受到了国内外学者的广泛关注。携带轨道角动量的电磁波称为涡旋电磁波或电磁涡旋,理论上可以携带无数种不同的OAM模态,这些模态相互正交并在空间独立传播,在通信和雷达探测领域具有巨大应用前景。目前涡旋电磁波的应用研究主要集中在通信领域，在雷达领域的研究较少。涡旋电磁波独特的波前分布展现出角度分集特性,有望为雷达成像应用提供一种新的思路。本文对涡旋电磁波在雷达成像中的应用进行了初步探索,力图建立一套电磁涡旋成像理论和方法，在涡旋电磁波辐射场特性、电磁涡旋成像原理、成像模型、成像方法和成像实验等方面进行深入研究。与平面波相比,涡旋电磁波的等相位面不再是平面,而是具有空间扭曲的螺旋结构,这种相位特征将提升电磁波的信息获取能力。本文首先从波前调制角度,对比平面波和随机微波辐射场照射,分析了电磁涡旋成像方位分辨原理,给出了成像处理过程。接着推导了调相均匀圆阵产生的涡旋电磁场和电磁涡旋成像数学模型。根据涡旋电磁波产生原理,提出一种用螺旋形阵列产生涡旋电磁波的新方法,通过改变频率控制产生的涡旋波模态。最后介绍了本文搭建的基于均匀圆阵的电磁涡旋成像实验系统,实验数据用于涡旋电磁波特性分析和成像方法验证。在进行成像应用之前首先需要了解与成像相关的涡旋电磁波辐射特性等基本问题。本文第三章研究了涡旋电磁场辐射强度和相位分布特征,包括辐射方向图主瓣指向、主瓣宽度、旁瓣性能等,并给出两种方向图旁瓣抑制方法。详细研究了均匀圆阵产生的涡旋电磁波OAM模态分布规律,为方便研究非纯态涡旋波,定义两种指标来定量表征涡旋电磁波模态纯度，并在一定纯,态阈值时得到了纯态区域大小与阵列参数的关系以及主瓣位于纯态区域的条件,为成像系统参数设计提供指导。最后分析了阵列误差因素对涡旋电磁波模态纯度的影响。涡旋电磁波辐射场测量数据分析验证 了上述理论结果。阵列接收的二维回波模型表明,傅里叶变换方法可以重构出目标的距离方位角二维图像。由于回波幅度调制的影响，本文分目标大俯仰角和小俯仰角两种情况进行研究。目标俯仰角较大时成像方程可以采用近似处理,成像结果中存在伪像。由于辐射能量弱和模态混叠的原因,大俯仰角并不适合实际应用。随后借助点扩展函数研究了小俯仰角条件下成像可行性，并且得到了成像可用的最小俯仰角。最后从成像分辨率、成像所需资源等方面与其他阵列成像方法进行对比。涡旋电磁波的主瓣指向随着OAM模态而变化,造成各个模态的涡旋波主瓣不能同时照射目标。本文提出两种涡旋波主瓣指向调整方法，将不同模态涡旋波主瓣导向到同一方向。第一种方法采用多层圆阵,每层圆阵产生一种或少数几种模态涡旋波。根据涡旋电磁波主瓣指向规律,通过合理设计各层圆阵半径使其主瓣指向设定方向。第二种方法是采用相控阵技术,在满足各阵元相位配置能够产生设定模态的情况下,对各个阵元附加一个导向相位,将波束轴导向到指定方向,从而使得各模态涡旋波主瓣指向同一目标。采用这种方法进行波束导向以后,利用正则化方法进行成像方程求解。本文最后给出了电磁涡旋成像实验系统暗室测量数据成像结果。由于成像系统采用单天线接收目标回波,首先研究了单天线接收时的成像模型,在成像处理前对OAM维回波补偿一个附加相位。针对傅里叶变换方法成像空间分辨率过低的问题,提出采用参数化谱估计和正则化方法进行目标重构以提升成像分辨率,并分析了成像质量影响因素。这两种方法能够获得超实孔径的成像分辨率,同时降低了方位像旁瓣,但是对噪声和模型误差较为敏感。实测数据成像结果验证了电磁涡旋成像原理和所提成像方法的有效性。