近年来,国内外的成像声呐设备已经发展出了多个技术分支,都具有各自的技术特点和成像优势,得到广泛研究和应用的主要有侧扫声呐、合成孔径声呐以及多波束测深声呐。这其中,多波束测深声呐能够实现全覆盖的三维声学成像,然而其航迹向分辨率受到波束脚印的限制,随着探测距离的增大而下降。侧扫声呐虽然在航迹向上具有极窄的波束宽度,能够一定程度上抑制波束脚印的扩展,但随着作用距离的增加,其航迹向分辨率依旧就会产生明显的下降。传统的合成孔径声呐大多是基于侧扫声呐基阵结构,虽然通过航迹向的孔径合成处理能够获得恒定的成像分辨率,但其受限于探测机理,与侧扫声呐一样正下方存在探测缝隙,需要额外进行补隙。此外,侧扫声呐和合成孔径声呐对于探测区域或目标的深度测量大多通过双阵列相干测深或对目标阴影区域反演进行估计,其测量精度不高。针对现有各种成像声呐的成像特点及其不足之处,结合多波束测深声呐与合成孔径声呐的探测机理与技术优势,本文开展了多波束合成孔径声呐关键技术研究。论文提出了一种基于二维面阵结构的多波束合成孔径探测机理模型,通过理论推导、仿真分析和水池试验相结合的方式验证所提出模型和方法的有效性,主要涉及探测机理与基阵设计、目标模型及回波仿真技术、三维成像算法研究、运动姿态估计与补偿、水池试验及结果分析五个部分:1、本文在分析了多波束测深声呐和侧扫式合成孔径声呐成像机理的基础上,结合其技术优势,提出了一种基于二维面阵的多波束合成孔径声呐探测新方法。设计了多波束合成孔径声呐信号处理方案,通过理论分析和系统仿真指出了“栅瓣”问题对于系统成像所产生的影响,提出了通过信号处理方案和基阵设计两方面手段抑制“栅瓣”问题的方法,包括增加航迹向线阵数目、航迹向大间隔布阵、增大信号带宽等技术手段,通过理论分析和算法仿真验证了设计参数的合理性,给出了多波束合成孔径声呐系统的设计参数。按照设计参数外协加工了二维多波束合成孔径声呐换能器基阵,设计并制造了与之配套的电路与上位机软件,对换能器基阵的设计指标进行了初步验证。2、本文针对二维面阵多波束合成孔径声呐模型,提出了一种基于“声亮点”模型的多波束合成孔径声呐三维目标仿真方法。通过切割分解的方式将立体目标的回波分解成多个“亮点”目标子回波叠加的形式,以此为基础提出了多波束合成孔径声呐三维目标仿真方法,根据二维换能器基阵结构推导出了不同时刻的各接收阵元在笛卡尔坐标系下位置的解析解。在上述模型框架下计算点目标到换能器各阵元之间的距离,推导出了y-r-θ坐标系下点目标的回波时延解析解。综合上述目标回波生成模型,仿真给出了立体目标在不同照射位置时所需的回波信号,主要包括水底平面、立体目标及其声影区。在此基础上又提出了一种针对复杂目标的SFS快速“亮点”生成方法,不需要推导复杂目标亮点位置的解析解即可获得大量的离散目标点,提高了回波仿真效率。3、为了提升成像声呐系统对于水下目标探测的精细化程度,本文提出了一种多波束合成孔径声呐三维成像算法。首先提出了多波束合成孔径声呐成像算法信号处理流程,理论推导给出了多波束合成孔径声呐逐点成像算法的解析解。其次基于上文中研究的目标回波仿真方法,分别对独立点目标、相邻立方体目标、影区目标和复杂几何轮廓目标进行成像处理,验证成像算法的有效性。通过对比不同成像算法的三维图像和能量切片,证明了多波束合成孔径成像算法的可行性及其对水下小尺度目标的成像优势。此外,还分析了换能器基阵制造误差对于波束形成算法产生的影响,提出了一种基于最小残差准则的一体化基阵自校准方法。通过仿真获得了该种算法的校正精度与理论克拉美罗界的对比,利用现有多阵元换能器基阵开展了试验研究和外场实验数据处理校正,证明了本文提出方法的有效性。4、为了抑制由声呐载体运动误差带来的声呐图像散焦问题,本文提出了一种基于非线性超定方程组的多波束合成孔径声呐运动姿态估计与补偿方法。首先分析了多波束合成孔径声呐系统的运动误差来源,并且将其分成位置误差和姿态误差两类,分别理论分析和数值仿真了六个自由度的运动误差对于成像结果产生的影响。其次在对单一自由度误差引起的成像算法偏差分析的基础上,针对二维面阵结构提出了一种基于六自由度联合误差估计的方法,将三维空间内的位置误差和姿态误差作为整体考虑,补偿单发射阵元和每个接收阵元的空间位置,进而抑制三维声呐图像散焦问题。针对二维面阵换能器结构,利用梯度法求解非线性超定方程组最小二乘解,同时得到系统的六自由度运动误差,通过理论分析和算法仿真证明了基于最小二乘解的运动姿态误差联合估计方法的有效性。5、为了验证多波束合成孔径成像机理的正确性及其对水下目标的精细化探测程度,本文针对不同预设目标开展了水池试验,并对探测结果进行了分析对比研究。首先利用双球目标开展实验研究,通过侧扫声呐成像算法、侧扫式合成孔径成像算法、多波束测深声呐成像算法和多波束合成孔径成像算法对目标回波进行二维、三维成像处理,对比证明了多波束合成孔径成像算法能够更为精细的对水下目标进行三维成像,并且通过能量切片证明了多波束合成孔径探测新方法具有更好的能量汇聚能力。其次通过对不同试验参数数据的处理结果对比,验证了上文中通过增加航迹向阵元数目、增大带宽、增大等效航迹向采样密度对于“栅瓣”现象的抑制效果。最后通过对立方体目标的探测试验和目标检测结果证明了多波束合成孔径声呐成像算法对于精细化描述目标数目、位置、尺度和轮廓的技术优势,并且相对于多波束测深声呐具有更好的能量聚集程度。