水下实时三维声学成像技术在海上工程建设、海底地形测绘、水下设施检查、水下考古、重大海洋工程和军事工程防护等众多领域具有广泛的应用前景,是当前海洋探测领域的重点研究内容之一。在目前基于二维平面接收阵列的水下实时三维声学成像系统中,其庞大的阵元数量导致系统的硬件电路复杂和波束形成算法计算量庞大,制约了水下实时三维声学成像系统的发展。十字型阵列作为一种优化的阵列配置,能够有效解决阵元数量庞大带来的系统复杂度过高问题。然而,十字型阵列在成像过程中需要扫描整个观测场景,过长的扫描时间导致其实时性不足。本论文针对基于十字型阵列的实时三维声学成像技术及稀疏阵列设计进行了深入研究,并将研究成果应用于低复杂度实时三维声学成像系统的设计开发。1、为解决十字型阵列实时性不足的问题,提出了一种多频率发射波束形成算法。该算法将垂直发射波束方向划分为多个扇面,并在一次发射过程中,依次向扇面内各垂直波束方向发射不同频率的扇形声纳波束信号。通过上述方法,该算法有效地将十字型阵列发射次数从垂直波束方向数减小到划分扇面数,降低了其构建一帧三维声学图像所需的时间。此外,为避免增加系统的性能开销和存储空间,提出了一种后处理时延补偿方式。最后,与二维平面接收阵进行对比,证明该算法在获得与二维平面接收阵相近的波束性能的同时,大幅降低了系统计算量需求。2、针对十字型阵列接收波束形成计算量偏大的问题,提出了一种并行子阵波束形成算法。该算法将接收阵列划分为多个子阵,首先在各子阵上并行地进行一级波束形成,然后以各子阵为基本阵元,进行二级波束形成计算。该算法基于较小的子阵规模和两级并行流水线结构,有效地降低了算法计算量,大幅提高了波束形成的计算效率,并且易于工程化实现。通过与直接接收波束形成对比,证明该算法在降低了系统计算量需求的同时,能够获得与直接波束形成算法近似的波束方向图。3、在保证十字型阵列波束方向图性能的前提下,以进一步减小其阵元数量为出发点,提出了一种阵元数量最小化的稀疏阵列。基于多频率发射波束形成算法和并行子阵波束形成算法,重新定义了模拟退火算法的能量函数,并以十字型阵列为目标,利用改进的模拟退火算法进行稀疏优化,最终获得基于十字型阵列的稀疏阵列。与当前其他类似的稀疏阵列成果相比,该稀疏阵列能够以更少的阵元数量获得与其他稀疏阵列相同的波束方向图性能指标。4、将上述理论成果应用于实际,设计开发了一台基于十字型阵列的低复杂度实时三维声学成像系统,从硬件开销和计算量两方面获得了较低的复杂度。首先根据换能器制造工艺、系统需求以及其他约束条件对系统的换能器阵列及相关参数进行配置。然后对信号处理系统的硬件及算法逻辑设计分别进行详细阐述。最后通过仿真实验和实际水下试验,证明该低复杂度实时三维声学成像系统的有效性、可靠性及实际三维成像能力。