近年来,携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）的涡旋电磁波引起了研究者的关注。与平面波不同,涡旋电磁波的等相位面具有螺旋型结构,这种相位特征有望提升电磁波的信息传输与获取能力。涡旋电磁波在理论上具有无穷多个模式,且不同模式之间具有正交性。这一特性已被应用于无线通信中,将不同的信息调制在不同的模式上,能够极大地提高信道容量,有望解决日益突显的频谱资源紧张的问题。另外,在雷达探测领域中,涡旋电磁波的特殊相位波前使得目标的散射场呈现出与平面波照射时不同的特征,这一现象在雷达反隐身领域具有一定的应用前景。在雷达成像领域,如何将不同模式的涡旋电磁波的回波进行融合,从中提取出更加丰富的目标特征,已经成为当今的研究热点。本文围绕涡旋电磁波的产生以及基于涡旋电磁波的成像理论与方法进行了探索,主要包括如下几个方面:1.首先介绍了电磁波轨道角动量的基本概念,给出了计算涡旋电磁波轨道角动量模式数的基本方法,分析了不同模式之间的正交性并给出提取特定模式信息的方法。推导并证明了涡旋电磁波可以分解为沿不同方向传播的平面波的叠加。然后给出了利用圆环相控阵产生涡旋电磁波的原理,详细研究了阵列天线半径、单元数等参数对涡旋电磁波传播特性的影响。考虑到单圈圆环阵列在产生高模式涡旋电磁波时会出现旁瓣变高的问题,利用优化后的多圈同心圆环阵列产生了具有低旁瓣电平的涡旋电磁波束。2.将涡旋电磁波应用于雷达主动成像中,包括凝视成像和合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）成像。在凝视成像中,首先推导了涡旋电磁波在俯仰角、方位角维的分辨率,并给出了其分辨率的解析表达式。然后利用稀疏重构理论实现了单频点下的基于多模式涡旋电磁波的二维高分辨成像。此外,提出了一种等效分数阶模式涡旋电磁波的实现方法,并将该方法应用于“多发多收”凝视成像中,解决了其固有的方位角混叠问题,实现了高分辨成像。最后将涡旋电磁波与SAR成像技术相结合,以进一步提高分辨率。为补偿由涡旋电磁波引入的涡旋相位项,对传统后向投影（Back Projection,BP）算法进行改进,实现了正侧视及下视构型下的SAR成像。3.提出了一种将涡旋电磁波用于近距离毫米波被动成像的方案,以提高被动成像的分辨率。通过对成像场景进行网格划分,并将各个网格中的辐射亮温作为未知量,利用不同模式的涡旋电磁波束对场景进行扫描观测,构造方程组进行求解。为了进一步降低被动成像对模式数的需求,引入了压缩感知技术,利用成像场景在变换域中的稀疏性,能够在少数模式下实现高分辨成像。4.考虑到传统涡旋电磁波束的发散性,研究了聚合型涡旋电磁波束的产生及成像方法。从平面涡旋电磁波束出发,给出了基于多模式叠加的波束聚合方法。随后将多模式聚合型涡旋电磁波束用于凝视成像及SAR成像中。在凝视成像中,聚合型波束在抑制虚假目标的干扰中具有优势;在SAR成像中,利用改进后的三维BP算法,只需一次航过便可实现对观测区域的三维重构,并利用目标的稀疏性,结合稀疏重构算法,实现了三维高分辨SAR成像。此外,提出了一种基于同心圆环阵列的聚合型涡旋波束的产生方案。将不同模式的涡旋电磁波束主瓣调节在同一俯仰角上,利用多模式叠加形成在方位角上的聚合,该方案天线单元选择灵活,并且能够实现聚合波束在俯仰角维的扫描,有望发挥涡旋电磁波在雷达探测中的应用价值。本文的工作进一步完善了涡旋电磁波的成像理论和方法,为新体制雷达成像研究和应用提供了参考。