馬學(xué)條， 程知群， 周 濤， 劉國(guó)華， 張忠海， 姜佐騰

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，杭州 310018)

0 引 言

隱身飛行器研究對(duì)于軍事現(xiàn)代化和軍事強(qiáng)國(guó)建設(shè)意義重大，電磁散射特性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邍?guó)防科技人才設(shè)計(jì)隱身飛行器的能力[1]。然而，受到經(jīng)費(fèi)和安全因素限制，普通高校難以通過(guò)建設(shè)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等大型軍事裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)中的飛行器電磁散射特性進(jìn)行測(cè)量和分析，學(xué)生更難有機(jī)會(huì)通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)接觸此類高成本、不可及的研究工作。此外，采用專業(yè)工程軟件對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的飛行器進(jìn)行表面電場(chǎng)分布建模仿真，需要使用大型服務(wù)器等硬件設(shè)備，花費(fèi)數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間，才能完成一項(xiàng)特定參數(shù)的仿真運(yùn)算；學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)內(nèi)難以完成此類長(zhǎng)周期的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)思路

將信息化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決教學(xué)過(guò)程中的時(shí)間、成本和條件不可及難題，彌補(bǔ)受地域環(huán)境、儀器設(shè)備、和安全因素等限制的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題；對(duì)于探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式、培養(yǎng)多學(xué)科交叉復(fù)合型人才具有重要而深遠(yuǎn)的意義[2]。

飛行器電磁散射特性分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，基于WebGL技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建，模擬客機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)在理想環(huán)境中受到微波雷達(dá)信號(hào)入射的表面場(chǎng)強(qiáng)分布。有效解決在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)內(nèi)，讓學(xué)生定性的完成對(duì)運(yùn)動(dòng)中的飛行器進(jìn)行電磁散射特性分析；通過(guò)互動(dòng)式情境教學(xué)，激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主研學(xué)能力。

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究良性互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊跟學(xué)科前沿，構(gòu)建多元化開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；以滿足現(xiàn)代國(guó)防軍工企業(yè)對(duì)學(xué)科交叉人才的需要。同時(shí)，吸收學(xué)有余力的學(xué)生參與國(guó)防科研項(xiàng)目的研發(fā)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識(shí)[3]。

(2) 抽象問(wèn)題形象化、復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)潔化。將抽象的電磁場(chǎng)傳播理論以交互式三維動(dòng)畫的形式向?qū)W生直觀展示出來(lái)；將飛行器受到雷達(dá)輻射后的復(fù)雜表面場(chǎng)強(qiáng)分布特性以電場(chǎng)分布圖進(jìn)行呈現(xiàn)；將虛擬仿真與實(shí)體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室提供飛行器模型和高性能電磁散射測(cè)試系統(tǒng)供學(xué)生測(cè)試飛行器的散射特性。

(3) 打破飛行器散射實(shí)驗(yàn)中存在不可及的教學(xué)瓶頸。傳統(tǒng)散射特性實(shí)驗(yàn)需要高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和射頻儀器配置，成本高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，無(wú)法測(cè)量出雷達(dá)電磁輻射對(duì)飛行器的直觀影響；在有限課時(shí)數(shù)內(nèi)只能完成少量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，多數(shù)高校難以開設(shè)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(4) 將深?yuàn)W的電磁場(chǎng)理論與飛行器隱身設(shè)計(jì)實(shí)例相結(jié)合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將電磁場(chǎng)理論和飛行器設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)融合；延伸了“電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容的深度，拓展了電子信息類專業(yè)和飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的視野；升級(jí)改造了兩個(gè)傳統(tǒng)工科專業(yè)，符合“新工科”建設(shè)趨勢(shì)[4]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)涵蓋“微波雷達(dá)信號(hào)輻射規(guī)律仿真”→“飛行器表面電場(chǎng)分布仿真”→“RCS測(cè)量仿真”三層次，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)讓學(xué)生了解微波雷達(dá)信號(hào)的反射信號(hào)強(qiáng)度與傳輸距離、飛行器材料和形狀等參數(shù)之間關(guān)系，加深對(duì)飛行器隱形原理理解；通過(guò)多組RCS測(cè)量數(shù)據(jù)分析、歸納和總結(jié)，掌握不同飛行器類型、飛行方位角、表面覆蓋材料對(duì)飛行器RCS的影響和變化趨勢(shì)。

完成仿真操作后，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)室配備的飛行器模型和電磁散射測(cè)試系統(tǒng)開展虛實(shí)融合測(cè)試，探究提高飛行器隱身性能的有效途徑。實(shí)現(xiàn)仿真指導(dǎo)實(shí)體實(shí)驗(yàn)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的閉環(huán)流程。通過(guò)方案設(shè)計(jì)、實(shí)體場(chǎng)景搭建、多因素敏感性分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，切實(shí)提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和自主研學(xué)能力。

2.1 對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)點(diǎn)1電磁場(chǎng)概念及微波雷達(dá)信號(hào)的電磁輻射特性。

知識(shí)點(diǎn)2在頻域下，飛行器表面電場(chǎng)分布隨微波雷達(dá)信號(hào)入射角度與飛行器表面形狀的變化規(guī)律。

知識(shí)點(diǎn)3在時(shí)域下，飛行器表面電場(chǎng)分布隨微波雷達(dá)信號(hào)入射角度與飛行器表面形狀的變化規(guī)律。

知識(shí)點(diǎn)4飛行器的RCS與入射微波雷達(dá)信號(hào)的頻率、角度、雷達(dá)類型和飛行器表面形狀、飛行器尺寸以及飛行器表面材料的關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

飛行器電磁散射特性分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)為4個(gè)課時(shí)，分為11步操作步驟；實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)操作流程圖

實(shí)驗(yàn)教學(xué)保留了專業(yè)軟件仿真結(jié)果準(zhǔn)確度高以及直觀的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了專業(yè)仿真軟件應(yīng)用門檻比較高的缺點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)仿真操作具有多種選擇性，改變電路參數(shù)或仿真設(shè)置，將影響仿真結(jié)果，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)者積極探索嘗試，得出有工程應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)操作步驟如表1所示。

2.3 結(jié)果要求

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用了階段連續(xù)式的教學(xué)方法，結(jié)合多元化的評(píng)價(jià)方式，倡導(dǎo)自主研學(xué)、互幫互學(xué)的學(xué)習(xí)模式[5]。學(xué)生按實(shí)驗(yàn)步驟要求完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，記錄實(shí)驗(yàn)中涉及的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸納分析，探究各參數(shù)間的相互關(guān)系，給出參數(shù)優(yōu)化方案。F117飛行器RCS測(cè)量仿真結(jié)果如圖2所示；學(xué)生根據(jù)電場(chǎng)分布圖進(jìn)行多因素敏感性分析，總結(jié)飛行器RCS增大、減小的影響因素以及設(shè)計(jì)有效探測(cè)RCS的方案[6]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重發(fā)揮學(xué)生的自主性，從仿真實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)融合驗(yàn)證、結(jié)果討論等環(huán)節(jié)均以學(xué)生為主體，讓學(xué)生去探索、去思考設(shè)計(jì)過(guò)程。另外，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定還包含學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為規(guī)范、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告等；通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生的綜合素養(yǎng)得到提升[7]。

表1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

(a) 433 MHz信號(hào)水平入射

(c) 433 MHz信號(hào)垂直入射

3 三維仿真軟件開發(fā)

飛行器電磁散射特性分析虛擬仿真軟件基于WebGL技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建；Web前端由HTML、CSS和JS組成；服務(wù)端采用node.js編寫、Nginx代理，實(shí)現(xiàn)快速部署擴(kuò)容與高并發(fā)特性[8]。前后端業(yè)務(wù)交互如圖3所示。

圖3 前后端業(yè)務(wù)交互圖

前端渲染流程如圖4所示。WebGL掛載于頁(yè)面的Canvas對(duì)象中，通過(guò)瀏覽器調(diào)用顯卡加速運(yùn)算。場(chǎng)景渲染采用MVVM架構(gòu)，將數(shù)據(jù)模型和用戶界面進(jìn)行分離，使每一幀畫面都從場(chǎng)景數(shù)據(jù)中運(yùn)算得到，場(chǎng)景中的交互操作通過(guò)狀態(tài)遷移函數(shù)修改數(shù)據(jù)，并在之后的渲染呈現(xiàn)。開發(fā)的Web前端頁(yè)面符合W3C規(guī)范，網(wǎng)站頁(yè)面無(wú)需安裝任何插件即可在包括手機(jī)瀏覽器在內(nèi)的大部分瀏覽器運(yùn)行[9]。

圖4 前端渲染流程

后端運(yùn)用Node.js開發(fā)，并利用對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器托管JavaScript源碼、CSS表和三維模型等大文件。利用分布式架構(gòu)與負(fù)載均衡功能，加速頁(yè)面加載速度；網(wǎng)絡(luò)速率為50 Mbps時(shí)，可以達(dá)到3 s的首屏加載時(shí)間與10 s的加載完成時(shí)間[10]。此外，通過(guò)WebSocket和Ajax技術(shù)，前端頁(yè)面可以提前加載三維模型，加快場(chǎng)景切換過(guò)程；三維仿真軟件操作界面如圖5所示。

4 教學(xué)實(shí)施情況

實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目每年面向航空航天、電子信息、通信等專業(yè)1 800多名學(xué)生開展教學(xué)工作，通過(guò)三維仿真設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合調(diào)試、課外實(shí)踐拓展等培養(yǎng)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和參與各類學(xué)科競(jìng)賽的積極性；經(jīng)實(shí)驗(yàn)課程直接培養(yǎng)的學(xué)生，獲各類學(xué)科競(jìng)賽國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)56人次，發(fā)表論文22篇，授權(quán)專利18項(xiàng)[11]。

以虛擬仿真為平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)模式獲得2016年浙江省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)；基于教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)的飛行器系列科普內(nèi)容應(yīng)用于杭州市青少年發(fā)展中心、浙大附屬中學(xué)、杭州文海教育集團(tuán)等中小學(xué)的科技啟蒙課程教育；與海康威視等企業(yè)聯(lián)合共建了飛行器電磁輻射實(shí)踐教學(xué)基地[12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于多學(xué)科交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)，我?！峨姶艌?chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》課程進(jìn)行了系列改革和研究；在不減少電磁場(chǎng)理論必備的基本內(nèi)容前提下，將電磁場(chǎng)理論知識(shí)與飛行器隱身設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)融合；推動(dòng)學(xué)科專業(yè)交叉融合，更新工程人才知識(shí)體系[13]。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已在我校及兄弟院校推廣使用多年，具有如下特點(diǎn)：

(1) 通過(guò)自主開發(fā)的飛行器電磁散射特性分析三維仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將枯燥的電磁場(chǎng)理論結(jié)合飛行器實(shí)例，以直觀的三維動(dòng)畫效果進(jìn)行呈現(xiàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

(2) 借助國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在線教學(xué)管理平臺(tái)，學(xué)生可遠(yuǎn)程使用三維仿真軟件在線完成飛行器電磁散射特性分析實(shí)驗(yàn)，達(dá)到“處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的泛在學(xué)習(xí)；提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)靈活性的同時(shí)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本[14]。

(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融合了電磁場(chǎng)理論和飛行器隱身設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，延伸和拓展了傳統(tǒng)的授課內(nèi)容；通過(guò)虛擬仿真、虛實(shí)融合，引導(dǎo)學(xué)生多起點(diǎn)、多方位、多層次思考和分析如何通過(guò)參數(shù)優(yōu)化提高飛行器的反雷達(dá)探測(cè)能力[15]。