目前国内外在成像声纳技术领域内主要是以多波束测深声纳、侧扫声纳以及侧扫合成孔径声纳为主。其中多波束测深声纳虽然测深精度高,能够实现目标区域的全覆盖测绘但是其受波束脚印大小的影响,航迹向上的分辨力较低。传统的侧扫声纳和侧扫合成孔径声纳虽然能够实现海底地形地貌的成像,但是其并不具备高精度测深能力并且受自身声纳原理的影响,无法解决正下方的测绘隙区问题。基于此,本文在结合多波束测深声纳技术和合成孔径声纳技术的基础上,系统地提出基于国产多波束测深声纳的多波束合成孔径声纳原理及成像技术验证方案,主要针对多波束合成孔径声纳的模型仿真、三维仿真数据生成方法、空间域成像算法、运动误差估计以及水池试验论证几个方面展开研究,具体的研究内容包括:1、基于多波束合成孔径声纳的原理提出线阵多波束合成孔径声纳的理论仿真模型。论文分析指出要实现航迹向的合成孔径以及水平距离向的波束形成就需要一个能兼顾合成孔径技术以及多波束测深技术的声纳模型,而直接应用多波束测深声纳原理和合成孔径声纳原理简单结合,必将导致多波束合成孔径声纳的设计复杂,体积规模庞大。论文首先提出线阵多波束合成孔径声纳的理论仿真模型,在此基础上,为了有效地提高测绘速度同时不降低航迹向分辨力提出利用多子阵技术、频率分集技术、脉冲压缩技术、单相位中心多发射波束技术以及双发射式技术等优化的多波束合成孔径声纳理论仿真模型,降低多波束合成孔径声纳基阵规模,满足多波束合成孔径声纳的空间域合成孔径成像需求。2、提出基于立体模型的多波束合成孔径声纳三维形貌恢复仿真数据生成法。论文在研究线阵多波束合成孔径声纳理论仿真模型的基础上,提出点目标三维仿真数据生成法并分析指出其三维仿真数据生成方法可以分解为构图、阴影计算、时延表回波仿真、成像四个步骤。而这几个步骤中构图与阴影计算十分庞大,使得点目标三维仿真数据生成法较繁琐。论文结合计算机视觉处理技术提出基于立体模型的多波束合成孔径声纳三维形貌恢复仿真数据生成法。利用已知合成孔径图像的表面灰度值反向求解目标曲率,直接生成多波束合成孔径声纳可使用的三维数据点坐标,替代点目标三维仿真数据生成法中的构图和阴影计算两个步骤,有效地解决了点目标三维仿真数据生成法繁琐的问题。最后论文使用合成孔径成像的方法对基于立体模型的多波束合成孔径声纳三维形貌恢复仿真数据生成法构造的数据进行解算,验证算法的有效性。3、提出多波束合成孔径声纳空间域成像方法及其优化方法。论文首先分析栅瓣问题对多波束合成孔径声纳成像的影响,分析航迹向栅瓣的出现机理以及对多波束合成孔径声纳成像的影响,论述宽带低Q、频率分集等航迹向抑制栅瓣方法,并运用在线阵多波束合成孔径声纳优化理论仿真模型设计上。然后探讨多波束合成孔径声纳的成像方法,利用其空间域优势提出高精确度多波束合成孔径声纳空间域逐点成像算法,并从点目标和多目标两个角度分析多波束合成孔径声纳空间域逐点成像算法的成像结果与侧扫合成孔径声纳成像结果以及多波束测深声纳成像结果的异同,分析多波束合成孔径声纳的航迹向分辨力、水平距离向分辨力以及测深能力。从对比中总结多波束合成孔径声纳的成像特点和优势。然后针对多波束合成孔径声纳的空间域逐点成像计算处理比较消耗时间的问题提出优化的空间域逐线法,并分析空间域逐线算法的受限性,指出其需要更为准确的航迹向的均匀采样以及更为精确的载体定位支持。最后论文提出优化的空间域快速后向散射成像法,在空间域逐点算法的基础上进行子孔径极坐标划分,利用子孔径分割与图像合并节约计算量,并使用其仿真结果同多波束合成孔径空间域逐点成像算法的成像结果做对比,验证算法的有效性。4、针对现有的等效相位中心法存在的二维运动近似误差和估计误差积累问题,图像匹配法存在的分辨误差问题,分别提出结合n阶AR数学模型和卡尔曼滤波法的多波束等效相位中心法和子孔径图像配准法。首先论文对主要影响合成孔径声纳航迹向合成的运动误差方式进行探讨,分析航偏,侧移以及横滚载体运动误差估计方式的特点。然后论文分析由于侧扫合成孔径声纳原理带来的常规等效相位中心法忽略来波角度造成的二维运动近似误差问题,提出利用多波束测深声纳技术在航迹向每个采样点解算来波角度的多波束等效相位中心法,并结合基于n阶AR模型预测和卡尔曼滤波对估计误差积累进行修正,降低多波束等效相位中心运动误差估计法的估计误差积累量,提高估计精度。然后针对传统的图像匹配运动误差估计法应用中存在的分辨误差问题,在分析子孔径计算的分辨力同图像匹配之间的关系的基础上,提出使用快速后向散射算法的中间步骤进行图像相关匹配运算的横滚载体运动误差估计方法。最后通过仿真验证其算法的有效性。5、结合水池试验结果验证线阵多波束合成孔径模型及理论的正确性,并与侧扫合成孔径声纳以及多波束测深声纳成像相比较,总结多波束合成孔径声纳的优点和实用性。论文在课题组自主研发的两款多波束测深声纳的基础上结合哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的消声水池进行了一系列验证试验,首次较全面完成了多波束合成孔径声纳原理性验证试验。重点开展成像机理和航迹向栅瓣分析,并结合水池试验结果验证多波束合成孔径声纳理论的正确性。