天氣雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)研究

摘" 要：天氣雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)適應(yīng)我國(guó)氣象雷達(dá)發(fā)展的需求，以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和氣象裝備管理能力的創(chuàng)新應(yīng)用型氣象探測(cè)人才為目標(biāo)，堅(jiān)持“學(xué)生中心、問(wèn)題導(dǎo)向、學(xué)科融合、創(chuàng)新實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，按照“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”的原則，以培養(yǎng)學(xué)生掌握天氣雷達(dá)系統(tǒng)的組成、測(cè)試標(biāo)定以及雷達(dá)應(yīng)用等核心實(shí)踐能力為切入點(diǎn)，采用3D建模、動(dòng)畫、人機(jī)交互等技術(shù)自主研發(fā)了天氣雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以解決現(xiàn)實(shí)中氣象探測(cè)人才培養(yǎng)的瓶頸。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；3D建模;實(shí)驗(yàn)教學(xué)；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G640" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-000X（2023）29-0047-05

Abstract： Virtual simulation experiment of Weather radar system and application meets the needs of the development of meteorological radar in China. Its aim is to cultivate innovative and application-oriented meteorological observation talents with professional competence and meteorological equipment management ability. The experiment adheres to the experimental teaching philosophy of \"student centered， problem oriented， subject integration， innovative practice\"， and follows the principle of \"combining the virtual with the real\" to cultivate students to master the composition of the weather radar system starting from the core practical capabilities such as test calibration and radar application. The weather radar system and application virtual simulation experiment is independently developed using 3D modeling， animation， human-computer interaction and other technologies to solve the bottleneck of training meteorological detection talents in reality.

Keywords： weather radar; virtual simulation experiment; 3-D modeling; experiment teaching; talent training

基金項(xiàng)目：省級(jí)應(yīng)用型示范課“《氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)》”（川教函〔2019〕31號(hào)）；省級(jí)一流本科課程“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)《天氣雷達(dá)參數(shù)綜合測(cè)試》”（川教函〔2021〕493號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：史朝（1981-），男，回族，四川成都人，博士，副教授，副院長(zhǎng)。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理。

*通信作者：王麗娟（1980-），女，漢族，四川成都人，碩士，講師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理。

自教育部出臺(tái)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)通知后，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的努力建設(shè)，各高校已形成一批基于虛擬仿真技術(shù)，具有創(chuàng)新性、易操作、交互性好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，豐富了教學(xué)形式及教學(xué)手段，拓展了高等教育專業(yè)課教學(xué)的時(shí)空，使得學(xué)生可以自由根據(jù)自身時(shí)間和愿望開展模擬操作和強(qiáng)化復(fù)習(xí)課堂所學(xué)理論知識(shí)。

本著“虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)課程創(chuàng)建了天氣雷達(dá)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并考慮到實(shí)驗(yàn)技能遞進(jìn)式培養(yǎng)需求，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了雷達(dá)系統(tǒng)認(rèn)知、使用、測(cè)試與觀測(cè)應(yīng)用等不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。并通過(guò)很難在現(xiàn)實(shí)條件下開展的虛擬實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生對(duì)雷達(dá)觀測(cè)能力與回波特征的認(rèn)知，例如：天氣雷達(dá)虛擬觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)面對(duì)同一天氣過(guò)程下不同雷達(dá)參數(shù)、不同觀測(cè)模式下的回波特征差異；天氣雷達(dá)關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供多種貴重測(cè)試儀表供自由選擇，并通過(guò)測(cè)試的參數(shù)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)能力計(jì)算，從而提升學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

一" 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及設(shè)計(jì)

天氣雷達(dá)在氣象短臨預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮著巨大的作用，在氣象、民航、水文和環(huán)境等領(lǐng)域具有著廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。天氣雷達(dá)的高性能、高可靠性對(duì)于支撐氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行與大氣科學(xué)研究科研至關(guān)重要，因此，需要一批熟悉天氣雷達(dá)系統(tǒng)特征、了解雷達(dá)運(yùn)行操作、熟知雷達(dá)測(cè)試定標(biāo)，以及掌握雷達(dá)觀測(cè)應(yīng)用技能的應(yīng)用創(chuàng)新型人才。

成都信息工程大學(xué)氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)是四川省精品課程及四川省應(yīng)用型示范課，2021年獲批省級(jí)一流課程，是電子信息工程專業(yè)（大氣探測(cè)方向）的主干課程之一。該課程建設(shè)的“天氣雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)目標(biāo)如下。

第一，認(rèn)知天氣雷達(dá)系統(tǒng)組成，剖析關(guān)鍵模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握雷達(dá)關(guān)鍵鏈路工作原理。

第二，掌握天氣雷達(dá)測(cè)試原理及方法，能夠熟練完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與雷達(dá)操作。

第三，掌握測(cè)試儀表的工作原理與使用方法，包括數(shù)字示波器、頻譜儀、功率計(jì)及信號(hào)源等測(cè)試儀表。

第四，能夠綜合分析天氣雷達(dá)探測(cè)能力與開展降水觀測(cè)應(yīng)用。

上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成有助于學(xué)生畢業(yè)后快速適應(yīng)天氣雷達(dá)運(yùn)行、維護(hù)、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面工作，為畢業(yè)生成長(zhǎng)為高層次應(yīng)用型新工科人才奠定重要基礎(chǔ)。

為達(dá)成以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置12個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，由圖1可知，12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分成天氣雷達(dá)系統(tǒng)原理認(rèn)知、天氣雷達(dá)定標(biāo)測(cè)試、天氣雷達(dá)氣象觀測(cè)應(yīng)用3種實(shí)驗(yàn)主題，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型與綜合型3類不同實(shí)驗(yàn)層次與目標(biāo)能力進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

二" 天氣雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的核心要素包括：天氣雷達(dá)系統(tǒng)原理認(rèn)知、天氣雷達(dá)定標(biāo)測(cè)試、天氣雷達(dá)氣象觀測(cè)應(yīng)用三大實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

（一）" 天氣雷達(dá)系統(tǒng)原理認(rèn)知虛擬仿真

天氣雷達(dá)原理認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要包括：天氣雷達(dá)速調(diào)管實(shí)驗(yàn)（圖2）、天氣雷達(dá)射頻放大鏈路實(shí)驗(yàn)（圖3）。

速調(diào)管是天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)的核心部件，通常是在發(fā)射機(jī)機(jī)柜中，被聚焦線圈、散熱模塊等工作附件包裹著，很難看到速調(diào)管的完整外形，更重要的是速調(diào)管內(nèi)部復(fù)雜抽象的電磁變化過(guò)程增加了學(xué)生對(duì)速調(diào)管工作原理的理解難度。在該實(shí)仿真驗(yàn)中首先讓學(xué)生認(rèn)知雷達(dá)機(jī)房環(huán)境，在雷達(dá)機(jī)柜中選擇雷達(dá)發(fā)射機(jī)柜，選出速調(diào)管，在對(duì)速調(diào)管外形結(jié)構(gòu)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，剖開速調(diào)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)其內(nèi)部組成進(jìn)行分解認(rèn)知，并通過(guò)分解實(shí)驗(yàn)操作，以動(dòng)畫方式將復(fù)雜難以想象的速調(diào)管內(nèi)部工作過(guò)程、射頻放大鏈路形象化地展示出來(lái)，加深學(xué)生認(rèn)知與理解。

（二）" 天氣雷達(dá)關(guān)鍵指標(biāo)的定標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

天氣雷達(dá)關(guān)鍵指標(biāo)的定標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要包括8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：發(fā)射機(jī)輸出脈沖包絡(luò)測(cè)試、發(fā)射機(jī)輸出功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、發(fā)射機(jī)輸出頻譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)、發(fā)射機(jī)動(dòng)目標(biāo)改善因子測(cè)試實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)噪聲系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試實(shí)驗(yàn)和鏡像頻率抑制等內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景包括了雷達(dá)機(jī)房、雷達(dá)天線、測(cè)試儀表等基本模型。雷達(dá)機(jī)房對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、饋線及速調(diào)管等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了建模，能夠反映出天氣雷達(dá)系統(tǒng)基本組成，并提供了基本的系統(tǒng)測(cè)試端口；雷達(dá)天線包括了反射體、天線座、低噪放與保護(hù)器等模塊，如圖4所示。

（三）" 天氣雷達(dá)氣象觀測(cè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

天氣雷達(dá)氣象觀測(cè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)主要包括：天氣雷達(dá)方程實(shí)驗(yàn)、天氣雷達(dá)觀測(cè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)（圖5）。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了降雨與晴空不同天氣現(xiàn)象，學(xué)生需要綜合考慮雷達(dá)選址、雷達(dá)關(guān)鍵性能參數(shù)、雷達(dá)觀測(cè)模式對(duì)天氣過(guò)程觀測(cè)的影響。特別是天氣雷達(dá)的探測(cè)威力與時(shí)空分辨率。

（四）" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)共8學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是以高階挑戰(zhàn)性問(wèn)題為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)復(fù)雜多要素綜合作用下的探索式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖6所示，課程教學(xué)的首次導(dǎo)論課后，將天氣雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀與需求、探測(cè)精準(zhǔn)性專題問(wèn)題和多種案例一起發(fā)給學(xué)生，同時(shí)學(xué)生在班委的組織下自行分組。

實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生通過(guò)教材、慕課視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等資源預(yù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備。

課堂上，授課教師通過(guò)天氣雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用中探測(cè)精準(zhǔn)性引發(fā)出的理論與技術(shù)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行交鋒討論，形成一定的共識(shí)或爭(zhēng)議；然后以虛仿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為依托，引導(dǎo)學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)操作，查找問(wèn)題的可能來(lái)源，并在授課教師的啟發(fā)下，分析可能影響天氣雷達(dá)探測(cè)精準(zhǔn)性的關(guān)鍵模塊，并對(duì)其進(jìn)行線上虛擬的性能參數(shù)定標(biāo)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，接下來(lái)在授課教師的引導(dǎo)下根據(jù)理論知識(shí)對(duì)天氣雷達(dá)性能參數(shù)、掃描策略進(jìn)行改善優(yōu)化，并線上操作分析在不同硬件要素變化條件下，對(duì)探測(cè)能力的影響程度。反復(fù)優(yōu)化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果，提交最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，授課教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程只是發(fā)揮引導(dǎo)、釋疑和推動(dòng)作用。

三" 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及共享情況

本實(shí)驗(yàn)主要面向電子信息工程專業(yè)（大氣探測(cè)方向）、電子信息科學(xué)與技術(shù)的大三、大四年級(jí)學(xué)生；涉及專業(yè)課程包括氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)、雷達(dá)氣象學(xué)、雷達(dá)實(shí)習(xí)等課程。2017年12月1日，該課程在本校上線，截至2019年已服務(wù)過(guò)的學(xué)生人數(shù)：本校超1 000人，外校社會(huì)學(xué)習(xí)者約510人。

四" 結(jié)束語(yǔ)

自國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)開展以來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)一直是高校教學(xué)工作的重點(diǎn)內(nèi)容，大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不斷推動(dòng)該新興教學(xué)手段發(fā)展，以契合新時(shí)代學(xué)生的學(xué)習(xí)行為習(xí)慣。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在新冠感染疫情這樣的特殊時(shí)期體現(xiàn)出了其優(yōu)越的便利性及不可取代性。但線上虛擬實(shí)驗(yàn)存在由于缺乏學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與授課教師之間的互動(dòng)討論，其單一的人機(jī)交互模式弱化了線下課堂的師生互動(dòng)感。因此，如何利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保障師生之間的互動(dòng)，提高學(xué)生的參與感是虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)中后續(xù)要著重思考及努力的方向。

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