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针对三维成像声纳系统主要面临计算量大和硬件系统过于复杂的难题，本文展开了稀疏布阵和波束形成算法的研究，并将相应成果应用于前视和下视两种工作模式的实时三维成像声纳系统当中。前视三维成像声纳系统采用单频脉冲信号透射整个水下探测场景，利用二维换能器阵列接收目标回波信号，运用波束形成技术对回波信号进行波束形成处理获得波束强度信号，从而获得三维图像。下视三维成像声纳系统利用基阵的运动，通过合成孔径处理对水下目标三维成像，同时，下视合成孔径三维成像声纳利用低频声波的穿透性，可以对掩埋目标、沉积层结构三维成像。 本文主要研究了基于遗传算法的稀疏布阵方法，并详细分析了稀疏布阵波束方向图的声学特性。优化了近场和远场波束形成算法，并深入研究了FFT波束形成算法和分块子阵(BSA)波束形成算法，有效的降低了三维成像声纳的计算量和内存需求量。提出了下视合成孔径三维成像声纳成像算法，提高了沿航迹方向的成像分辨率。下视合成孔径三维成像声纳对掩埋目标探测尤为重要，所以开展了掩埋目标三维成像算法的研究。论文的最后设计并开发了一套前视实时三维成像声纳信号处理系统，该系统可以实时的对水下三维场景进行成像。 本文的主要研究内容安排如下: 第1章进行选题背景及研究意义的阐述，对三维成像声纳的国内外研究现状及关键技术进行了总结，并阐明了实时三维成像声纳系统实现所面临的重点和难点问题。 第2章研究了基于遗传算法的稀疏布阵算法，并详细分析了稀疏布阵波束方向图的声学特性，最后获得了符合前视实时三维成像声纳系统需求的稀疏布阵方式。 第3章进行前视三维成像声纳波束形成算法的研究，优化近场和远场波束形成算法，降低了系统所需的计算量和内存需求量，为工程实现打下基础，并在近场情况下有效的扩大了成像系统的视场角。 第4章在优化波束形成算法的基础上深入研究了BSA波束形成算法，进一步减小了波束形成的计算量和内存需求量。通过仿真实验和水池实验验证了BSA波束形成算法的有效性，获得了与完全阵性能相近的波束形成结果。 第5章研究了下视三维成像声纳的成像算法，利用合成孔径技术，有效的提高了下视三维成像声纳沿航迹方向的成像分辨率。提出了基于单阵元、平面阵及“T”型面阵的下视合成孔径三维成像算法，并分析了成像算法的性能。针对掩埋目标成像受沉积层声速突变影响的问题，提出基于平均声速的掩埋目标三维成像算法，仿真实验表明该算法可以有效的提高掩埋目标的成像精度。 第6章研究了FFT波束形成算法，设计并开发了一套实时前视三维成像声纳信号处理系统，分析了该系统的性能指标，湖上和海上实验表明该系统可以实时的对水下目标进行三维成像。 第7章了对本文的研究成果进行了总结，概括了本文的创新点，并对存在的研究问题进行了分析，展望了下一步的工作计划。