飛行器電磁散射特性分析的虛擬仿真實驗建設

馬學條， 程知群， 周 濤， 劉國華， 張忠海， 姜佐騰

(杭州電子科技大學 電子信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心，杭州 310018)

0 引 言

隱身飛行器研究對于軍事現(xiàn)代化和軍事強國建設意義重大，電磁散射特性實驗能夠提高國防科技人才設計隱身飛行器的能力[1]。然而，受到經(jīng)費和安全因素限制，普通高校難以通過建設相控陣雷達系統(tǒng)等大型軍事裝備對運動中的飛行器電磁散射特性進行測量和分析，學生更難有機會通過實體實驗接觸此類高成本、不可及的研究工作。此外，采用專業(yè)工程軟件對復雜環(huán)境中的飛行器進行表面電場分布建模仿真，需要使用大型服務器等硬件設備，花費數(shù)天甚至數(shù)周的時間，才能完成一項特定參數(shù)的仿真運算；學生在有限的實驗課時數(shù)內難以完成此類長周期的仿真實驗。

1 虛擬仿真實驗建設思路

將信息化技術應用于實驗教學，解決教學過程中的時間、成本和條件不可及難題，彌補受地域環(huán)境、儀器設備、和安全因素等限制的現(xiàn)實問題；對于探索實驗教學新模式、培養(yǎng)多學科交叉復合型人才具有重要而深遠的意義[2]。

飛行器電磁散射特性分析虛擬仿真實驗，基于WebGL技術進行三維場景構建，模擬客機和戰(zhàn)斗機在理想環(huán)境中受到微波雷達信號入射的表面場強分布。有效解決在有限的實驗課時數(shù)內，讓學生定性的完成對運動中的飛行器進行電磁散射特性分析；通過互動式情境教學，激發(fā)實驗興趣，培養(yǎng)學生自主研學能力。

(1) 實驗教學與科學研究良性互動。實驗教學緊跟學科前沿，構建多元化開放式實驗教學體系；以滿足現(xiàn)代國防軍工企業(yè)對學科交叉人才的需要。同時，吸收學有余力的學生參與國防科研項目的研發(fā)，提高學生的實踐動手能力、培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新意識[3]。

(2) 抽象問題形象化、復雜問題簡潔化。將抽象的電磁場傳播理論以交互式三維動畫的形式向學生直觀展示出來；將飛行器受到雷達輻射后的復雜表面場強分布特性以電場分布圖進行呈現(xiàn)；將虛擬仿真與實體驗證實驗相結合，實驗室提供飛行器模型和高性能電磁散射測試系統(tǒng)供學生測試飛行器的散射特性。

(3) 打破飛行器散射實驗中存在不可及的教學瓶頸。傳統(tǒng)散射特性實驗需要高標準的實驗場地和射頻儀器配置，成本高，實驗周期長，無法測量出雷達電磁輻射對飛行器的直觀影響；在有限課時數(shù)內只能完成少量實驗內容，多數(shù)高校難以開設該實驗項目。

(4) 將深奧的電磁場理論與飛行器隱身設計實例相結合。通過實驗項目將電磁場理論和飛行器設計進行有機融合；延伸了“電磁場與電磁波實驗”教學內容的深度，拓展了電子信息類專業(yè)和飛行器設計專業(yè)學生的視野；升級改造了兩個傳統(tǒng)工科專業(yè)，符合“新工科”建設趨勢[4]。

2 虛擬仿真實驗教學設計

實驗教學涵蓋“微波雷達信號輻射規(guī)律仿真”→“飛行器表面電場分布仿真”→“RCS測量仿真”三層次，通過仿真設計讓學生了解微波雷達信號的反射信號強度與傳輸距離、飛行器材料和形狀等參數(shù)之間關系，加深對飛行器隱形原理理解；通過多組RCS測量數(shù)據(jù)分析、歸納和總結，掌握不同飛行器類型、飛行方位角、表面覆蓋材料對飛行器RCS的影響和變化趨勢。

完成仿真操作后，學生可利用實驗室配備的飛行器模型和電磁散射測試系統(tǒng)開展虛實融合測試，探究提高飛行器隱身性能的有效途徑。實現(xiàn)仿真指導實體實驗、實體實驗驗證仿真的閉環(huán)流程。通過方案設計、實體場景搭建、多因素敏感性分析等實驗環(huán)節(jié)，切實提升學生的實驗技能和自主研學能力。

2.1 對應知識點

知識點1電磁場概念及微波雷達信號的電磁輻射特性。

知識點2在頻域下，飛行器表面電場分布隨微波雷達信號入射角度與飛行器表面形狀的變化規(guī)律。

知識點3在時域下，飛行器表面電場分布隨微波雷達信號入射角度與飛行器表面形狀的變化規(guī)律。

知識點4飛行器的RCS與入射微波雷達信號的頻率、角度、雷達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系。

2.2 實驗步驟

飛行器電磁散射特性分析實驗教學為4個課時，分為11步操作步驟；實驗操作流程如圖1所示。

圖1 實驗操作流程圖

實驗教學保留了專業(yè)軟件仿真結果準確度高以及直觀的優(yōu)點，同時避免了專業(yè)仿真軟件應用門檻比較高的缺點；實驗仿真操作具有多種選擇性，改變電路參數(shù)或仿真設置，將影響仿真結果，鼓勵實驗者積極探索嘗試，得出有工程應用價值的實驗結論。實驗操作步驟如表1所示。

2.3 結果要求

實驗教學采用了階段連續(xù)式的教學方法，結合多元化的評價方式，倡導自主研學、互幫互學的學習模式[5]。學生按實驗步驟要求完成實驗設計，記錄實驗中涉及的各項數(shù)據(jù)并進行歸納分析，探究各參數(shù)間的相互關系，給出參數(shù)優(yōu)化方案。F117飛行器RCS測量仿真結果如圖2所示；學生根據(jù)電場分布圖進行多因素敏感性分析，總結飛行器RCS增大、減小的影響因素以及設計有效探測RCS的方案[6]。

實驗教學注重發(fā)揮學生的自主性，從仿真實驗、虛實融合驗證、結果討論等環(huán)節(jié)均以學生為主體，讓學生去探索、去思考設計過程。另外，實驗成績評定還包含學生的實驗行為規(guī)范、團隊協(xié)作、實驗總結報告等；通過實驗教學使學生的綜合素養(yǎng)得到提升[7]。

表1 實驗操作步驟

(a) 433 MHz信號水平入射

(c) 433 MHz信號垂直入射

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技術進行三維場景構建；Web前端由HTML、CSS和JS組成；服務端采用node.js編寫、Nginx代理，實現(xiàn)快速部署擴容與高并發(fā)特性[8]。前后端業(yè)務交互如圖3所示。

圖3 前后端業(yè)務交互圖

前端渲染流程如圖4所示。WebGL掛載于頁面的Canvas對象中，通過瀏覽器調用顯卡加速運算。場景渲染采用MVVM架構，將數(shù)據(jù)模型和用戶界面進行分離，使每一幀畫面都從場景數(shù)據(jù)中運算得到，場景中的交互操作通過狀態(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前端頁面符合W3C規(guī)范，網(wǎng)站頁面無需安裝任何插件即可在包括手機瀏覽器在內的大部分瀏覽器運行[9]。

圖4 前端渲染流程

后端運用Node.js開發(fā)，并利用對象存儲服務器托管JavaScript源碼、CSS表和三維模型等大文件。利用分布式架構與負載均衡功能，加速頁面加載速度；網(wǎng)絡速率為50 Mbps時，可以達到3 s的首屏加載時間與10 s的加載完成時間[10]。此外，通過WebSocket和Ajax技術，前端頁面可以提前加載三維模型，加快場景切換過程；三維仿真軟件操作界面如圖5所示。

4 教學實施情況

實驗教學項目每年面向航空航天、電子信息、通信等專業(yè)1 800多名學生開展教學工作，通過三維仿真設計、虛實結合調試、課外實踐拓展等培養(yǎng)環(huán)節(jié)，提高了學生的工程創(chuàng)新能力和參與各類學科競賽的積極性；經(jīng)實驗課程直接培養(yǎng)的學生，獲各類學科競賽國家級獎勵56人次，發(fā)表論文22篇，授權專利18項[11]。

以虛擬仿真為平臺的實踐教學模式獲得2016年浙江省教學成果一等獎；基于教學項目開發(fā)的飛行器系列科普內容應用于杭州市青少年發(fā)展中心、浙大附屬中學、杭州文海教育集團等中小學的科技啟蒙課程教育；與?？低暤绕髽I(yè)聯(lián)合共建了飛行器電磁輻射實踐教學基地[12]。

5 結 語

基于多學科交叉復合型人才培養(yǎng)，我?！峨姶艌雠c電磁波實驗》課程進行了系列改革和研究；在不減少電磁場理論必備的基本內容前提下，將電磁場理論知識與飛行器隱身設計技術進行了有機融合；推動學科專業(yè)交叉融合，更新工程人才知識體系[13]。該實驗教學項目已在我校及兄弟院校推廣使用多年，具有如下特點：

(1) 通過自主開發(fā)的飛行器電磁散射特性分析三維仿真軟件進行實驗教學，將枯燥的電磁場理論結合飛行器實例，以直觀的三維動畫效果進行呈現(xiàn)，增強了實驗的趣味性。

(2) 借助國家級虛擬仿真實驗教學中心在線教學管理平臺，學生可遠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驗，達到“處處能學、時時可學”的泛在學習；提高學生實驗靈活性的同時，節(jié)省了實驗成本[14]。

(3) 實驗教學項目融合了電磁場理論和飛行器隱身設計的相關知識點，延伸和拓展了傳統(tǒng)的授課內容；通過虛擬仿真、虛實融合，引導學生多起點、多方位、多層次思考和分析如何通過參數(shù)優(yōu)化提高飛行器的反雷達探測能力[15]。