劉 銳

1993年，他在北京師范大學(xué)物理系固體及粒子束物理專業(yè)完成了人生第一個階段的升華，之后扎根祖國大西北教書育人，桃李滿天下。

1999年，他選擇到賡續(xù)紅色基因的西安電子科技大學(xué)攻讀無線電物理專業(yè)博士學(xué)位，此后投身電磁計算及其應(yīng)用方面研究，逐漸成長為電磁航道逐波者。

他是魏兵，西安電子科技大學(xué)教授，無線電物理專業(yè)博士生導(dǎo)師，時域電磁計算領(lǐng)域研究的領(lǐng)航人。

西安電子科技大學(xué)西大樓，一座以“物理改變世界，光電引領(lǐng)未來”為理想的著名教學(xué)樓，是電磁學(xué)領(lǐng)域的圣地，老一輩電磁學(xué)家匯聚于此，以“物理為基，光電為導(dǎo)”，薪火相傳。成長在此沃野之中的魏兵，繼承前輩優(yōu)良傳統(tǒng)的同時致力創(chuàng)新，帶領(lǐng)團隊在電磁理論、計算電磁學(xué)、目標(biāo)時域響應(yīng)仿真、時域綜合測量及其應(yīng)用等領(lǐng)域追電逐波，建設(shè)了一支我國時域電磁計算應(yīng)用領(lǐng)域別具特色的生力軍。

魏兵

學(xué)高為師，身正為范——行走在物理教育路上的“師者心”

甘肅天水，以“天河注水”盛名于世，傳說中是伏羲氏的出生地。這里曾經(jīng)山原廣闊，水草豐茂，植被茂盛，被譽為“隴南林海”“林泉之冠”。這里農(nóng)牧業(yè)交錯，人們善騎射，習(xí)武功，是作戰(zhàn)補充兵源的雄厚基地。

記者與魏兵的對話，就開始于這個諸葛亮“六出祁山”的地方。

魏兵的家鄉(xiāng)，在甘肅天水。小時候，他無憂無慮地學(xué)習(xí)、成長。由于父母是教師，他在校園里度過了自己的童年，養(yǎng)成了喜歡思考的習(xí)慣。高考填志愿時，他依照父母的意志，選擇了師范類院校；又按照自己的興趣，選擇了物理學(xué)專業(yè)，又很榮幸地成為北京師范大學(xué)物理系固體及粒子束物理專業(yè)莘莘學(xué)子中的一員。從此，學(xué)高為師、身正為范，魏兵矢志在教師這一崗位上深深扎根。

大學(xué)里的時光總是快樂的。課堂上，有魏兵活躍的身影。他總是好奇物理學(xué)與周圍生活之間的關(guān)聯(lián)，有問不完的問題。下課后，運動場上，他是帥氣的籃球運投手，還是1500米跑道上不停向前的長跑健將。圖書館里，魏兵的世界不僅是屬于物理的，還有汪國真的詩，李澤厚的美學(xué)，以及名家畫作的陪伴……

畢業(yè)時，魏兵毫不猶豫地選擇回到養(yǎng)育自己的家鄉(xiāng)——甘肅天水師范學(xué)院物理系，成為一名教師。在他心里，教師是神圣的職業(yè)。這既源于父母的言傳身教，更源于自己的理想信念。因為他知道科技才能強國，物理改變世界，他希望能在這里，培養(yǎng)出眾多優(yōu)秀的中學(xué)物理教師，讓自己對物理的摯愛播撒在孩子心間，用物理開啟他們的未來。那時候，他不僅是任課教師，主講物理學(xué)課程；他還是班主任，帶著同學(xué)們?nèi)嵙?xí)?！拔覀兿氯嵙?xí)的時候，帶著床，帶著‘大師傅’，帶著鍋灶，那個陣仗，不亞于出兵打仗。”現(xiàn)在回憶起來，魏兵依然記憶猶新，“我不光要帶好實習(xí)教學(xué)工作，還要帶著同學(xué)們?nèi)ゲ少I糧油蔬菜、日用品，給同學(xué)們印制飯票，和同學(xué)們相處甚歡?！?/p>

魏兵非常感激那段青春歲月。正是在那段艱苦時光里，他更多地接觸了社會，鍛煉了自己。魏兵說：“基層的鍛煉，讓我終生受益，讓我知道了基層是什么樣的，也深深懂得了做事情的不易。最重要的是，我學(xué)會了隱忍、堅持和努力?！彼€感謝與學(xué)生一同成長的經(jīng)歷，“大學(xué)時學(xué)的好多課程內(nèi)容，當(dāng)時理解得不是很到位。但到師范學(xué)院教書后，因為講課首先要自己理解透，才能給同學(xué)們講，這就使我必須查缺補漏。這個過程，也讓我對物理學(xué)知識有了更深入的了解和更濃厚的興趣?！?/p>

懷抱研究一門理論和實踐緊密結(jié)合學(xué)科的夢想，魏兵的下一站，選擇了西安電子科技大學(xué)無線電物理專業(yè)?！耙驗檫@一專業(yè)最早的老師來自武漢大學(xué)，他們在電波傳播方面擁有豐富的經(jīng)驗和雄厚的技術(shù)實力?！蹦矫鴣淼奈罕?999年到此攻讀碩士研究生，師從國內(nèi)知名電磁學(xué)者葛德彪教授，2000年，轉(zhuǎn)為攻讀博士學(xué)位。并從此在光電時域計算電磁學(xué)領(lǐng)域深耕不輟。

從小耳濡目染立下為師志向，到一直置身于茵茵校園為學(xué)、為師，魏兵對教書育人這份光輝事業(yè)一直持有崇高的敬意和熱情。無論為學(xué)，還是為師，他捧出的是一顆滾燙的“師者仁心”，也正是這顆仁心，成就了他和團隊在科研、人才培養(yǎng)等諸多領(lǐng)域的突出貢獻。

挖礦數(shù)值，普及算法——移位算子成為電磁場域“通用王”

從1999年進入西安電子科技大學(xué)開啟科學(xué)研究的征程，到博士畢業(yè)后留校至今，投身電磁理論、時域計算電磁學(xué)及其應(yīng)用方面研究二十余載，魏兵及其團隊在電磁理論、復(fù)雜介質(zhì)電磁場時域數(shù)值算法、電磁算法的改進和計算機的發(fā)展結(jié)合等方面有諸多可圈可點的創(chuàng)新成果。走進魏兵的研究，你會發(fā)現(xiàn)這是一個充滿神奇魅力的奇妙世界——

偏微分方程的求解在物理學(xué)中很重要，但是采用傳統(tǒng)解析的方法常常只能解決一些較簡單的問題，實際工作中的復(fù)雜情況往往難以應(yīng)對。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，2000年左右，對電磁場數(shù)值求解方案的探求迅速發(fā)展。魏兵也就是從這時候開始，在導(dǎo)師葛德彪教授的指引下，把Maxwell方程的數(shù)值求解作為自己的主攻方向。

但是，Maxwell方程的數(shù)值求解是一個相當(dāng)有挑戰(zhàn)的課題?！癕axwell方程是三維矢量方程，考慮到電磁場隨時間的變化瞬態(tài)求解時，就變成了四維方程，因而在時域求解方程難度很大?！蔽罕靼?，電磁場方程數(shù)值求解不僅需要好的物理基礎(chǔ)，還對計算機編程有很高要求，在探求新算法的過程中，他迎來了更大的挑戰(zhàn)。

電磁場的數(shù)值方法主要分為時域法和頻域法兩種，頻域方法比較適于處理單方向入射、多方向接收時的單頻問題，而時域方法更適于處理單方向入射、單方向接收時的寬帶電磁問題。另外，時域方法在處理時變介質(zhì)和增益介質(zhì)電磁問題時，更具優(yōu)勢。魏兵先期研究主要集中在色散介質(zhì)的時域有限差分算法，但是原有的時域算法針對不同色散模型（例如：德拜模型、德魯模型、洛倫茲模型等）必須分別進行處理，算法和程序的通用性差，難以滿足多種色散介質(zhì)模型同時存在時電磁問題分析的需要。

為用一種算法同時解決多種模型并存時的電磁問題，魏兵在色散介質(zhì)的通用時域計算方法領(lǐng)域展開了研究。電磁學(xué)中的色散現(xiàn)象是指物質(zhì)的介質(zhì)參數(shù)隨頻率而變化的特性。研究航空、探地雷達、高功率微波、生物電磁學(xué)、生物光學(xué)、納米光學(xué)等都需要用到色散介質(zhì)計算方法。

2003年，魏兵的博士生導(dǎo)師葛德彪教授提出了移位算子時域有限差分方法，并應(yīng)用于非磁化等離子體電磁特性的分析。這一方法概念簡明易于理解，數(shù)學(xué)過程相對簡單，內(nèi)存需求量小，計算精度高。魏兵刻苦學(xué)習(xí)這一方法，并在2004年留校任教后，繼續(xù)沿著導(dǎo)師的方向，經(jīng)過無數(shù)次深入思考和不懈探索，將移位算子時域有限差分方法加以完善，以解決多樣態(tài)的復(fù)雜問題。經(jīng)過發(fā)展的移位算子時域有限差分方法首先推廣應(yīng)用于各向同性色散介質(zhì)的模型，如德拜模型、洛侖茲模型和德魯模型的統(tǒng)一處理。此后，又將該算法拓展應(yīng)用于磁化鐵氧體和磁化等離子體等色散兼各向異性介質(zhì)電磁特性的分析，使移位算子方法成為處理色散介質(zhì)電磁問題的通用計算方法。

至此，移位算子時域有限差分方法成為了色散介質(zhì)算法中的“通用王”。挖礦數(shù)值，普及算法，魏兵及其團隊走出了西安電子科技大學(xué)西大樓的“一小步”，卻是電磁學(xué)領(lǐng)域的“一大步”。

快速計算，精準(zhǔn)捕獲——半空間與其上方的“速算神”

對地觀測技術(shù)中，天基雷達的出現(xiàn)是一大跨越。它以航天器為工作平臺，隱蔽在太空中，俯瞰所有目標(biāo)，具有功能多、分辨率高、波束捷變能力強等特點，彌補了空基雷達航程短、受地形變化及植被覆蓋影響大、飛行范圍受領(lǐng)空限制和容易受到攻擊等不足，是人類向半空間進軍的一大成果。

有矛就會有盾。導(dǎo)彈是天基雷達的天敵，它的探測和攻擊往往采取低空甚至超低空的飛行方式，飛行高度能達到距離地面、海面數(shù)十米。這導(dǎo)致目標(biāo)所處環(huán)境的復(fù)合散射很強，其散射特性與自由空間情形有較大變化，嚴重影響雷達對低空目標(biāo)的探測能力，同時也會對防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度產(chǎn)生明顯影響。

矛盾，總是在前進與發(fā)展中得到解決。魏兵和他的研究伙伴們，成為解決矛盾的那一群人。

隨著技術(shù)的發(fā)展，半空間上方目標(biāo)電磁散射的快速、精確計算成為目標(biāo)探測等領(lǐng)域需要迫切解決的問題之一。其難點主要是，半空間和分層半空間散射問題的計算涉及復(fù)雜的索末菲爾德積分，實際處理時需要大量的計算時間。目前，半空間相關(guān)的數(shù)值算法普遍存在算不大、算不準(zhǔn)和計算效率低等缺陷。

針對半空間上方目標(biāo)電磁算法的問題，考慮到天基雷達、天波超視距雷達等具體觀測情形，為滿足半空間上方電大目標(biāo)電磁散射特性精細分析的需要，團隊在時域以時域有限差分方法為例展開相關(guān)問題研究，主要從三個方面入手提高半空間問題的計算效率，一是時域有限差分方法的計算域僅包含目標(biāo)或粗糙面本身，不包含兩者之間的自由空間，以此縮小計算域進而提高計算效率；二是在天基雷達和天波雷達的情形，觀察方向往往遠離分界面，此時目標(biāo)上的照射波僅考慮直接入射和半空間反射波即可?？梢酝ㄟ^數(shù)值計算和解析分析相結(jié)合的方法簡化目標(biāo)上照射波的引入，并避免遠場外推時復(fù)雜的半空間函數(shù)計算。同時突破在平面分層半空間多于四層時目前文獻中未見函數(shù)的計算困境。三是結(jié)合目前我國超級計算機的發(fā)展，采用混合并行架構(gòu)實現(xiàn)了半空間上方目標(biāo)及背景復(fù)合電磁散射的時域有限差分方法分析，將時域數(shù)值算法應(yīng)用于實際粗糙半空間目標(biāo)電磁散射問題的分析。快速計算，精準(zhǔn)捕獲，魏兵及其團隊，解決了現(xiàn)代人追求的速度和精準(zhǔn)問題，被稱為半空間與其上方的“速算神”。

魏兵團隊合影

上下求索 成果豐碩——時域電磁計算應(yīng)用的“追夢人”

無論是致力于方程數(shù)值求解，還是推動快速計算在半空間的應(yīng)用，都只是魏兵及其團隊多年創(chuàng)新研究的一個側(cè)面。懷著對電磁理論、時域計算電磁學(xué)研究探索的滿腔熱情，魏兵團隊以創(chuàng)新為劍，開創(chuàng)了領(lǐng)域里一個又一個佳話：

電磁理論方面，他們在分層半空間（包括各向異性分層）上方任意取向偶極子遠區(qū)輻射場的快速計算方面利用互易定理創(chuàng)新性地給出了解析表達式，在保證計算精度的前提下使得計算效率大大提升，相關(guān)成果應(yīng)用于分層半空間情形電波輻射和電波傳播的相關(guān)分析中；在塵埃等離子體充電、放電等效應(yīng)方面，他們給出等效介電參數(shù)表達式并采用解析方法研究了塵埃等離子體中的電波傳播特性。2011年，團隊把這些過程方法毫無保留地寫入了《電磁波理論》一書當(dāng)中，這本由科學(xué)出版社出版的專著也成為眾多高校的指定教材，并成為相關(guān)領(lǐng)域廣為借鑒的佳作。

2012年，他們又把復(fù)雜介質(zhì)電磁場時域數(shù)值算法的精髓公之于眾，發(fā)表在《物理學(xué)報》上的論文《弱電離塵埃等離子體層反射和透射的SO-FDTD方法分析》被評選為“中國物理學(xué)會2016年度最有影響論文”。

魏兵團隊在DGTD方法共形吸收邊界、基于高階疊層型基函數(shù)的DGTD方法、磁化等離子體的波傳播數(shù)值計算、無條件穩(wěn)定時域有限元算法、無條件穩(wěn)定FDTD算法等方面的創(chuàng)新性工作先后發(fā)表于IEEE Trans. A. P.、IEEE A W P L和Waves in Random and Complex Media等國際知名雜志。隨后魏兵和團隊繼續(xù)乘勝而進，2014年到2019年，他們相繼出版了《電磁波時域計算方法（上冊）——時域有限差分法和時域積分方程法》《電磁波時域計算方法（下冊）——時域有限元法》《電磁波時域非連續(xù)伽遼金法》等著作，這些著述包含了他們的絕大部分研究成果。這些研究也大大提升了數(shù)值算法在復(fù)雜介質(zhì)電磁計算方面的能力和適應(yīng)性。目前，相關(guān)科研成果已廣泛應(yīng)用于航天科工、中航、中電等集團的航天院等20多個科研院所。

值得一提的是，魏兵帶領(lǐng)其電磁計算及其應(yīng)用團隊將電磁算法的改進和計算機的發(fā)展相結(jié)合，采用超大規(guī)模精細計算解決電磁計算中遇到的難題，取得了良好的效果。課題組2001年就發(fā)表了國內(nèi)第一篇FDTD方法并行計算的論文。他們2004年實現(xiàn)了各向異性介質(zhì)的并行計算，2009實現(xiàn)了分層半空間問題的FDTD計算，2014年實現(xiàn)了時域彈跳射線法的大規(guī)模計算。近年來，他們還實現(xiàn)了基于疊層型基函數(shù)的DGTD算法超大規(guī)模計算。難能可貴的是，這些并行計算幾乎都屬于國內(nèi)率先突破。此類采用超級計算機并行計算的方式大大降低了試驗成本，提高了設(shè)計效率，為保障國防安全做出了有益探索。

銳意進取、敢于創(chuàng)新結(jié)出了碩果，近年來，魏兵及其團隊承擔(dān)了原國防“973”項目專題、國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研基金及教學(xué)改革等項目30余項。共發(fā)表論文200余篇，其中SCI檢索60余篇，EI檢索80余篇。他們多次獲得國家、省部級科技獎勵，包括高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎，國家級教學(xué)成果獎二等獎，陜西教學(xué)成果獎特等獎、陜西科技成果獎二等獎，陜西高?？萍汲晒勅泉?，等等。

率先垂范，為師如父——西電計算電磁應(yīng)用的“夢之隊”

青山遠黛，濤聲陣陣，晨曦的微光中天空綻放出別樣的淡藍。魏兵和他的學(xué)生們挽起褲腿，追尋著大禹治水的傳說逐浪前行，這是他們在課題告一段落后的周末小憩。黃河激浪，是快樂放松，也是再次揚帆。

樹木蔥蘢，小溪潺潺，明媚的陽光給林間小道印上斑駁的光影。魏兵和他的學(xué)生們背著雙肩包，行進在人跡罕至的崎嶇山路上，曲徑通幽間他們探索秦嶺深處的艱險與美景。攀上山巔，手可擎天，向上是每個人的目標(biāo)。

逸夫圖書館前，“為國工作五十年，幸福生活一輩子”的標(biāo)語異常醒目。穿著短袖、短褲的魏兵，正在突破重圍，運球過人，動作之嫻熟，速度之迅捷，成為籃球場虎虎生威的猛將，而同在賽場拼搏的都是他的學(xué)生。

…………

這些場景，都是魏兵帶領(lǐng)下的西安電子科技大學(xué)電磁學(xué)團隊的日常。十寨聽泉、草甸吟風(fēng)、古道踏青、巔峰留影……他們的故事總讓學(xué)生津津樂道，幸福而驕傲。他們，是追電逐波的“夢之隊”。

說起與魏兵老師的相處，不論是博士生、碩士生還是本科生，都有一串又一串的美好回憶。

他們說魏老師是陪伴導(dǎo)師。偌大的實驗室里，第一個到崗的常常是他，他每天背著小帆布包，在晨曦中快步跨入西大樓，又往往在月夜中才走出西大樓。計算電磁學(xué)實驗室里的一個角落，就是魏兵的辦公桌。桌子上是高速運轉(zhuǎn)的電腦和?？闯Ｐ碌囊晦姶艑W(xué)書籍。來找他討論問題的學(xué)生絡(luò)繹不絕。

“同事如兄弟，學(xué)生如子女”“解衣衣之，推食食之，既授人以漁，也授人以魚”，是魏兵團隊崇尚的師風(fēng)師德；“厚德垂范，縝密窮究，博學(xué)敦行，創(chuàng)新?lián)?dāng)”是計算電磁學(xué)及其應(yīng)用團隊遵循的擔(dān)當(dāng)使命。2019年，魏兵所帶領(lǐng)的團隊被評為西安電子科技大學(xué)“師德師風(fēng)好、師生關(guān)系好、培養(yǎng)模式好，有先進文化、有出色管理、有突出業(yè)績”的“三好三有”團隊。魏兵則榮膺西安電子科技大學(xué)師德先進個人。

榮譽與成績不是憑空得來的。“培養(yǎng)電波傳播高層次創(chuàng)新人才”的理念和實踐，在西安電子科技大學(xué)已近40載。從20世紀80年代起，西安電子科技大學(xué)就系統(tǒng)開展了電波傳播“本—碩—博”人才培養(yǎng)工作的研究與實踐。一路走來，不忘初心、砥礪前行。學(xué)校凝練確立了“面向電波傳播工程與國防科技應(yīng)用，厚基礎(chǔ)、強實踐、寬視野、重個性”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念，建立了分層次、多模式、全覆蓋的電波傳播創(chuàng)新人才培養(yǎng)方法，構(gòu)建了目標(biāo)明確、特色鮮明、有機融接的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，打造了國內(nèi)領(lǐng)先水平的電波傳播高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地。這里已經(jīng)走出了多名院士，走出了“嫦娥一號”總師，“天問一號”總師，走出了多位長江學(xué)者，走出了全國教書育人楷模，走出了一個個西電人的驕傲……

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，魏兵正是不斷追尋科研報國夢的濟濟西電人中的一分子，甚至他的導(dǎo)師——83歲高齡的葛德彪教授也依然活躍在團隊中，成為領(lǐng)航的燈塔。相信在這片沃土中，有傳承，有希望，有創(chuàng)新，更有未來。