胡漢峰

摘要：“天氣雷達(dá)原理”是大氣探測(cè)專業(yè)類的基礎(chǔ)核心課程，是氣象部門就業(yè)環(huán)節(jié)中必不可少的一個(gè)專業(yè)技能。然而天氣雷達(dá)作為一種大型儀器設(shè)備，無(wú)論是從設(shè)備造價(jià)還是設(shè)備配備的角度來(lái)講，都很難在本科教學(xué)中投入大規(guī)模建設(shè)；而且從儀器設(shè)備安全使用角度來(lái)看，也很難做到每個(gè)學(xué)生都實(shí)際動(dòng)手操作天氣雷達(dá)。在現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的情況下，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，以Unity3D技術(shù)開發(fā)虛擬平臺(tái)模擬現(xiàn)實(shí)雷達(dá)中的各個(gè)部件以及操作流程，使學(xué)生掌握氣象雷達(dá)原理，提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；虛擬仿真；Unity3D；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）37-0053-03

一、前言

天氣雷達(dá)原理是大氣探測(cè)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課程，課程培養(yǎng)的最終目的是使得學(xué)生經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能夠熟悉和理解天氣雷達(dá)的基本工作原理，掌握天氣雷達(dá)操作步驟以及各種信號(hào)檢測(cè)維護(hù)方法。然而由于天氣雷達(dá)的造價(jià)非常昂貴，且專業(yè)操作性較強(qiáng)，因此高校實(shí)驗(yàn)室配備了天氣雷達(dá)后，為了雷達(dá)設(shè)備本身的使用安全以及實(shí)驗(yàn)室的正常開放使用，很難做到讓每個(gè)學(xué)生都實(shí)際動(dòng)手對(duì)雷達(dá)進(jìn)行操作和測(cè)量，實(shí)際情況更多的是老師進(jìn)行操作，學(xué)生只能在旁邊觀看，無(wú)法親自操作，這樣就增加了學(xué)生對(duì)雷達(dá)部件工作原理理解的難度，使得實(shí)踐教學(xué)的效果大打折扣，長(zhǎng)此以往，不利于學(xué)生對(duì)該知識(shí)的理解和對(duì)雷達(dá)的實(shí)際操作檢測(cè)。

為了更好地把天氣雷達(dá)的工作原理以及其基礎(chǔ)理論知識(shí)更加形象地展現(xiàn)出來(lái)，并且讓每個(gè)學(xué)生都能真實(shí)地對(duì)雷達(dá)進(jìn)行操作、檢測(cè)，本文以虛擬仿真技術(shù)全實(shí)景地展現(xiàn)了天氣雷達(dá)的組成結(jié)構(gòu)以及各種信號(hào)測(cè)試流程，最終導(dǎo)入到Unity3D引擎中，開發(fā)了一套虛擬仿真技術(shù)的天氣雷達(dá)仿真系統(tǒng)，豐富了課堂教學(xué)的方法，使得學(xué)生更加形象地理解了所需知識(shí)，同時(shí)也通過(guò)在電腦上的虛擬操作完全模仿了天氣雷達(dá)工作過(guò)程中的實(shí)際操作步驟以及測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)教育從傳統(tǒng)多媒體技術(shù)到現(xiàn)代信息化階段的一個(gè)轉(zhuǎn)變[1，2，3]。

二、虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或者模擬技術(shù)，即用虛擬的系統(tǒng)模仿真實(shí)的系統(tǒng)[4，5]。該技術(shù)的核心是采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)在電腦上對(duì)現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，使得人們可以在電腦端進(jìn)行完全模擬現(xiàn)實(shí)的操作，因此虛擬仿真技術(shù)要求虛擬出來(lái)的系統(tǒng)要完全與實(shí)際系統(tǒng)相同，符合實(shí)際系統(tǒng)的各種特征，具有以下四個(gè)特征：沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性[6，7，8]。其中逼真性是我們用于課堂教學(xué)的一個(gè)非常重要的因素，因此采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及理論教學(xué)，從技術(shù)本身而言符合了現(xiàn)代化教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和要求。

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一款用于三維游戲、可視化建筑模型開發(fā)等功能的專業(yè)開發(fā)工具，可以在Windows和Mac OS X下進(jìn)行開發(fā)，滿足了當(dāng)前主流平臺(tái)的多種需求。同時(shí)Unity3D適應(yīng)當(dāng)前各種三維模型格式，支持各種腳本語(yǔ)言，諸如：JavaScrip、C#、Python等，因此在三維場(chǎng)景開發(fā)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[9，10]。

本文介紹的氣象雷達(dá)仿真模型正是基于Unity3D技術(shù)，以3Ds Max軟件建模，實(shí)現(xiàn)虛擬天氣雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)，有天氣雷達(dá)組成原理的介紹、雷達(dá)開關(guān)機(jī)步驟的演示、操作以及雷達(dá)檢測(cè)流程。

三、天氣雷達(dá)虛擬仿真系統(tǒng)介紹

1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。天氣雷達(dá)虛擬仿真系統(tǒng)主要是在windows系統(tǒng)上運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際課程的需要，讓學(xué)生能夠在電腦上完全模擬出現(xiàn)實(shí)過(guò)程中雷達(dá)操作的各個(gè)環(huán)節(jié)和具體步驟，使課堂的教學(xué)內(nèi)容變得更加豐富，寓教于樂。系統(tǒng)主要包括：天氣雷達(dá)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)平臺(tái)、天氣雷達(dá)測(cè)試教學(xué)平臺(tái)和天氣雷達(dá)測(cè)試流程互動(dòng)仿真考核平臺(tái)三個(gè)方面。其中基礎(chǔ)知識(shí)平臺(tái)包括了天氣雷達(dá)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用圖文面板的形式，展現(xiàn)了天氣雷達(dá)的整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識(shí)。測(cè)試平臺(tái)包括了常見的雷達(dá)性能測(cè)試流程以及常見測(cè)試工具的使用，包含了雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的檢測(cè)以及示波器、頻譜儀、功率計(jì)等儀器的使用?？己似脚_(tái)主要是根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)出考察題目，完成學(xué)生考察工作。具體系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.雷達(dá)性能檢測(cè)實(shí)踐功能設(shè)計(jì)。天氣雷達(dá)虛擬系統(tǒng)的主要核心功能為通過(guò)虛擬技術(shù)模擬實(shí)際雷達(dá)使用和操作過(guò)程中的一些步驟和環(huán)節(jié)，其中在天氣雷達(dá)使用過(guò)程中最為重要的為雷達(dá)性能檢測(cè)標(biāo)定工作。系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了7個(gè)功能檢測(cè)模塊，均為天氣雷達(dá)在使用過(guò)程中需要定期進(jìn)行檢測(cè)的環(huán)節(jié)，部分界面有：發(fā)射機(jī)重復(fù)頻率檢測(cè)、發(fā)射機(jī)脈沖寬度檢測(cè)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、接收機(jī)靈敏度檢測(cè)、回波強(qiáng)度標(biāo)定檢測(cè)。

文章以雷達(dá)發(fā)射功率檢測(cè)為例，介紹如何在虛擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)射機(jī)功率檢測(cè)。進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，選擇發(fā)射功率檢測(cè)，此時(shí)界面會(huì)彈出工具欄，工具欄中有示波器、功率計(jì)、頻譜儀、衰減器接頭以及檢波器接頭等相關(guān)工具。

第一步：選擇正確的檢測(cè)儀器、功率計(jì)，若選擇錯(cuò)誤則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，沒法進(jìn)行下一步操作。

第二步：對(duì)功率計(jì)進(jìn)行校零和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。只有正確設(shè)置好功率計(jì)的參數(shù)方可進(jìn)行雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率檢測(cè)。

第三步：選擇正確的檢測(cè)接口，雷達(dá)發(fā)射機(jī)端一共引出了3個(gè)接口，其中一路是從發(fā)射機(jī)的速調(diào)管耦合下來(lái)的信號(hào)，用于進(jìn)行發(fā)射功率的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。當(dāng)正確設(shè)置好參數(shù)的功率計(jì)連接上功率檢測(cè)口后，則彈出功率計(jì)的讀數(shù)界面。

第四步：完整讀數(shù)以及數(shù)據(jù)保持記錄。

在實(shí)踐教學(xué)模式下，學(xué)生進(jìn)行每一步操作，一旦發(fā)生錯(cuò)誤都有錯(cuò)誤警告，同時(shí)不能進(jìn)行下一步操作，需要返回上一步完成正確的操作方可進(jìn)行。同時(shí)會(huì)在系統(tǒng)后臺(tái)記錄下錯(cuò)誤操作的信息，供老師對(duì)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和教學(xué)效果進(jìn)行分析。

3.自主考核系統(tǒng)建立。實(shí)踐課程的考核方式與理論課程有較大的差距，實(shí)踐課程考核的目標(biāo)應(yīng)該是除了確保學(xué)生能夠掌握相關(guān)的理論知識(shí)外，還需要進(jìn)行正確的實(shí)際操作，因此在進(jìn)行考核設(shè)計(jì)時(shí)除了理論知識(shí)的考查外還重點(diǎn)設(shè)計(jì)了操作環(huán)節(jié)的考核，考核成績(jī)由20%的理論成績(jī)和80%的實(shí)踐成績(jī)組成?？荚嚥僮飨到y(tǒng)界面如圖2所示。endprint

實(shí)踐操作環(huán)節(jié)的考試分別對(duì)應(yīng)了雷達(dá)性能檢測(cè)的7個(gè)環(huán)節(jié)以及雷達(dá)開關(guān)機(jī)的操作步驟，在考試模式下，學(xué)生進(jìn)行的一切操作均沒有錯(cuò)誤提示，每個(gè)步驟無(wú)論錯(cuò)誤與否都可以進(jìn)入到下一步操作，直到最終學(xué)生確認(rèn)提交后才給出相應(yīng)的錯(cuò)誤環(huán)節(jié)和最終得分。同時(shí)結(jié)合學(xué)生在平時(shí)實(shí)習(xí)操作過(guò)程中的情況給出一份有針對(duì)性的總評(píng)得分報(bào)告。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Unity3D技術(shù)開發(fā)的天氣雷達(dá)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)充分結(jié)合了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的環(huán)節(jié)，在保證學(xué)生掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)踐動(dòng)手操作環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)寓教于樂，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使得他們掌握了天氣雷達(dá)相關(guān)的操作環(huán)節(jié)和性能檢測(cè)步驟。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初務(wù)必要求與實(shí)際環(huán)節(jié)一致，因此學(xué)生經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)的練習(xí)和考試，再到實(shí)際雷達(dá)上進(jìn)行操作時(shí)，不會(huì)覺得陌生，可以順利完成真機(jī)的操作。因此本系統(tǒng)可以完全適用在天氣雷達(dá)原理課程教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，同時(shí)也可以作為氣象局雷達(dá)業(yè)務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn)的相關(guān)素材，值得大力推廣。

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