海底地形地貌测绘领域的核心问题之一在于如何提高测绘效率，目前侧扫声呐（SSS）有效测绘量程、最大航测速度与成像分辨力之间存在相互约束，一般只能适应2~6节航测条件。波束形成技术能够在同一时刻对多个来波方向的回波信号进行分辨，进而实现扩大测绘覆盖范围的目的，为实现单帧宽幅成像的高航速侧扫声呐技术提供了可能。 本论文研究围绕高速高分辨率海底地貌测绘技术开展研究。研究内容包括信号处理算法与SSS系统实现两部分，其中高航速测绘成像算法和声呐运动估计算法是本论文的主体内容，包括声呐模拟技术、多波束聚焦波束形成技术以及基于强散射体目标识别的声呐运动估计与补偿技术等。 声呐模拟器可以模拟水下声学传播过程和声呐原理来还原真实的水下实验场景，因此它能够为声呐工程的开发提供设计辅助和故障诊断。然而，已有的开源声呐模拟器已经逐渐落伍于前沿的声呐技术，尤其表现在较低的运算效率以及对高速测绘模拟的非适应性。论文设计一种基于两级网络架构的声呐模拟器，它具有灵活的系统任务调度属性及可扩展的数据交互框架。回声信号拟合算法采用一种折线路径模型来准确计算高航速运动状态下反向散射信号的传播时延。同时，针对大规模虚拟海底模型受限于传统声呐模拟器的运算能力，论文提出一种基于新能量函数的建模简化算法，它可以计算虚拟海底结构的声学散射特性来评估空间散射点的模拟价值，进而淘汰对回声信号拟合价值低的离散点来提高运算效率。 高航速海底地貌测绘问题的本质是如何实现具有沿航向距离分辨力的单帧宽幅成像技术，论文从多子阵结构的水声换能器阵列方案出发，通过研究子阵级阵列信号模型，提出一种多波束聚焦聚焦波束形成算法，它利用近场环境下各个接收子阵信号的相关性对单帧测绘区域进行划分从而获得理想的聚焦成像效果，同时研究基于高斯子阵声束模型的子阵声束旁瓣级抑制方法改善数字相控误差。论文完整设计数字信号处理算法器，对数字处理过程中的计算效率和系统误差进行分析，结合仿真实验及湖上实验验证相关研究内容的可行性。 对于航测式成像声呐而言，声呐平台的运动偏差是直接影响成像质量的重要因素之一。论文分析影响SSS成像质量的运动偏差因素，对比目前也已有的运动估计与补偿算法，提出基于测绘范围内强散射点目标识别与定位的运动估计算法，它利用小波包分解方法提取强散射体的声学特征向量作为运动估计分析的参照标志物，提高姿态角解算准确率。利用数据融合技术对传感器实测值与姿态估计值进行融合，在条带图像拼接过程中补偿航偏角差值。 论文研究过程中设计并实现了一套拖曳式高航速侧扫声呐原型机，包括声呐整体硬件、数字信号处理算法和实时控制与数据采集软件等部分。通过实验室测试、水池实验以及湖上实验，该声呐原型机可以正常稳定工作并采集了大量实验数据。湖试数据的处理分析结果验证了论文研究的各种信号处理方法的有效性及性能。作为国内少有的高航速侧扫声呐技术方案，该原型机初步具备实际应用能力。