合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是主动式遥感设备，利用电磁波照射地面以获取反射回波，电磁波与地面目标的相互作用信息被SAR系统收集、处理，从而实现地面目标的成像。在这一过程中，表征电磁波传播的不同物理量所携带的地物信息不同，利用这些不同的物理量所携带的不同地物信息可以获得不同的SAR图像。在这些图像中，同一地物目标表现出不同的散射特性。对同一块成像区域，可以获取多频段、多入射角、多极化的SAR图像，对这些图像的分析可以对地物目标获得更深入、更全面的理解。表征电磁波传播的物理量包含能量、动量和角动量。角动量又可以分为自旋角动量和轨道角动量。其中自旋角动量对应于不同的极化形式，不同极化的SAR图像已经在SAR成像领域得到了广泛的应用。然而迄今为止，电磁波中的轨道角动量在SAR成像中的应用还未得到广泛的研究和关注。电磁波中的轨道角动量对应于电磁涡旋现象。本文主要研究了电磁涡旋波束的实现技术及其在SAR成像中的应用。论文的主要工作和创新性贡献主要包括以下几个方面:　　1.研究了携带特定轨道角动量模式的电磁涡旋波束的实现方法与传输特点。用环形阵列天线产生了具有特定涡旋模式的电磁涡旋波束。一般情况下，单个环形阵列天线只能产生单一涡旋模式的电磁涡旋波束。文中基于电磁波的叠加原理提出一种方法，通过设计特定的幅度相位分布，使得用单个环形阵列天线产生了具有混合模式的电磁涡旋波束，也即是同时携带多个轨道角动量模式的电磁涡旋波束。文中基于两个环形阵列天线构建了电磁涡旋波束的传输系统，其中一个环形阵列天线作为发射装置，另一个环形阵列天线作为接收装置。详细研究了不同涡旋模式的传输特性;研究了涡旋波束的涡旋特性在传输过程中对于收发装置之间偏差的鲁棒性;还研究了基于电磁涡旋的多路复用技术的可行性。研究结果表明，当传输系统的传输距离局限在一定的范围内时，基于电磁涡旋的多路复用技术是可实现的;当超出一定的传输距离范围，由电磁涡旋波束的中心幅度奇点特性导致的能量衰减使得多路复用技术不再可用。文中还研究了利用嵌套的多个环形阵列天线实现电磁涡旋波束的方法，这种天线形式可以产生出高模式的电磁涡旋波束。研究中发现，对于高模式的涡旋波束，天线方向图中不同方位角区域对应的涡旋模式并不相同。在主波束范围内，涡旋模式等于设定模式;而在主波束包围的中心区域内，涡旋模式不等于设定模式，而是随着设定模式的变化服从一定的周期性变化规律。　　2.研究了SAR天线的高精度幅相标定技术。文中基于传统的相位编码方法提出了一种改进的相位编码方法，可以提高幅相标定精度。在传统的相位编码方法中，编码矩阵固定，幅度和相位的测量精度随着相控阵天线幅度和相位分布的不同而不同。在改进的相位编码方法中，编码矩阵随着相控阵天线幅度和相位的分布而变化，从而可以根据不同的天线幅相分布使用不同的编码矩阵进行测量。使用改进的相位编码方法可以通过折中幅度测量精度的方式来提高相位测量精度，同样也可以通过折中相位测量精度的方式来提高幅度测量精度。因此通过选取两个特定的编码矩阵，就可以同时获得幅度和相位测量精度的最优值。另外，相较于传统的相位编码方法，改进后的编码矩阵包含更多的矩阵元。通过继续扩充矩阵元，可以进一步提高幅度相位的测量精度。　　3.研究了用大型相控阵天线实现不同模式涡旋波束的方法与技术。为了满足SAR成像的需求，需要利用SAR系统的相控阵天线实现窄波束宽度、高增益的电磁涡旋波束。为了与已有的SAR系统相兼容，文中研究了利用大型相控阵天线实现电磁涡旋波束的方法与技术。通过在相控阵天线上形成特定的幅度、相位分布，可以实现特定模式的电磁涡旋波束。实验结果验证了利用大型相控阵天线实现高纯度电磁涡旋波束的可行性，并且验证了电磁涡旋波束的扫描特性以及其相对于频率变化的鲁棒性。研究结果表明，将电磁涡旋应用于SAR成像具有可行性。基于机载系统的涡旋SAR成像试验验证了将电磁涡旋应用于SAR成像的可行性。　　4.研究了涡旋SAR图像的图像特征。论文中基于可以产生电磁涡旋波束的机载SAR系统，获取了国际上首幅涡旋SAR图像。详细研究了涡旋SAR图像的图像特征。对同一场景的涡旋SAR图像和普通SAR图像进行了对比分析，结果表明涡旋SAR图像的阴影区域更弱，阴影区域内的图像细节信息更清晰，从而表明涡旋SAR有更好的阴影探测能力。对某些地面目标在涡旋SAR图像和普通SAR图像中的散射特性进行了定量分析，分析结果表明，相同地物目标的散射特性在涡旋SAR图像和普通SAR图像中表现出了不同的性质，从而表明涡旋波束与地物互相作用产生的回波所携带的散射信息与传统波束带回的散射信息不同。这些研究结果表明涡旋SAR图像在地物目标分析方面有广泛的应用前景。