前视声呐相当于无人航行器的眼睛,在航行过程中起着不可或缺的作用。避障需要避碰声呐获取障碍物的方位与距离信息;水下导航需要测流声呐获取无人航行器相对海底的速度,从而推算当前位置;海底地形探测需要侧扫声呐获取不同方位的海底距离信息,根据一片连续区域的距离信息即可获得海底起伏状态。因此,形形色色的声呐系统都离不开测向、测距和测流这三大基本功能。本文围绕这三大功能对前视声呐系统进行研究,具体内容如下:本文对水下无人平台前视声呐的阵列形状和信号参数进行了设计。设计分析了圆阵、同心双圆环阵的波束性能,制作了双圆环阵用于验证性实验;基于相控阵测流理论,设计了一种能够覆盖在无人航行器下表面的共形阵,该阵列理论上能够实现相控测流和海底地形探测功能。本文分析了单频脉冲和线性调频脉冲的模糊函数,采用线性调频脉冲作为探测信号。线性调频脉冲能够兼顾距离分辨率和作用距离,并且对航行器运动导致的多普勒频移不敏感。算法上,利用宽带波束形成器获得空间处理增益,利用匹配滤波器进行脉冲压缩获得时间处理增益。本文前视声呐系统的硬件主要由发射驱动模块、采集传输模块和信号处理硬件平台组成。发射驱动模块为发射换能器提供驱动信号;采集器对接收阵列各通道信号进行采样,传输模块将采集的数据发送给信号处理平台。信号处理流程包括带通滤波、宽带波束形成、距离衰减补偿、匹配滤波、包络提取、平滑压缩和门限判决七个步骤。本文采用基于CUDA(Compute Unified Device Architecture,通用并行计算设备架构)的GPU对信号处理过程进行加速。利用上述硬件实验系统及双圆环阵构建的样机进行了外场实验,结果表明:本文设计的前视声呐系统能够完成障碍物实时探测功能,输出障碍物所在方位角、俯仰角和距离;在静止条件下,能够探测到63.7米的河岸;在运动条件下,能够测量到46米的桥墩和3-6米的河底。试验结果验证了样机系统能够完成实时水下避碰功能。