基于虚拟仿真技术的“气象雷达原理”实践课程建设

2017-09-14胡汉峰

教育教学论坛 2017年37期

胡汉峰

摘要：“天气雷达原理”是大气探测专业类的基础核心课程，是气象部门就业环节中必不可少的一个专业技能。然而天气雷达作为一种大型仪器设备，无论是从设备造价还是设备配备的角度来讲，都很难在本科教学中投入大规模建设；而且从仪器设备安全使用角度来看，也很难做到每个学生都实际动手操作天气雷达。在现代电子技术高速发展的情况下，结合虚拟仿真技术，以Unity3D技术开发虚拟平台模拟现实雷达中的各个部件以及操作流程，使学生掌握气象雷达原理，提高专业人才培养质量。

关键词：天气雷达；虚拟仿真；Unity3D；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）37-0053-03

一、前言

天气雷达原理是大气探测专业的一门非常重要的专业课程，课程培养的最终目的是使得学生经过本课程的学习能够熟悉和理解天气雷达的基本工作原理，掌握天气雷达操作步骤以及各种信号检测维护方法。然而由于天气雷达的造价非常昂贵，且专业操作性较强，因此高校实验室配备了天气雷达后，为了雷达设备本身的使用安全以及实验室的正常开放使用，很难做到让每个学生都实际动手对雷达进行操作和测量，实际情况更多的是老师进行操作，学生只能在旁边观看，无法亲自操作，这样就增加了学生对雷达部件工作原理理解的难度，使得实践教学的效果大打折扣，长此以往，不利于学生对该知识的理解和对雷达的实际操作检测。

为了更好地把天气雷达的工作原理以及其基础理论知识更加形象地展现出来，并且让每个学生都能真实地对雷达进行操作、检测，本文以虚拟仿真技术全实景地展现了天气雷达的组成结构以及各种信号测试流程，最终导入到Unity3D引擎中，开发了一套虚拟仿真技术的天气雷达仿真系统，丰富了课堂教学的方法，使得学生更加形象地理解了所需知识，同时也通过在电脑上的虚拟操作完全模仿了天气雷达工作过程中的实际操作步骤以及测试流程，实现教育从传统多媒体技术到现代信息化阶段的一个转变[1，2，3]。

二、虚拟仿真技术

虚拟仿真又称虚拟现实技术或者模拟技术，即用虚拟的系统模仿真实的系统[4，5]。该技术的核心是采用现代计算机技术在电脑上对现实中的系统进行仿真，使得人们可以在电脑端进行完全模拟现实的操作，因此虚拟仿真技术要求虚拟出来的系统要完全与实际系统相同，符合实际系统的各种特征，具有以下四个特征：沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性[6，7，8]。其中逼真性是我们用于课堂教学的一个非常重要的因素，因此采用虚拟仿真技术进行实验及理论教学，从技术本身而言符合了现代化教学的发展趋势和要求。

Unity3D是由Unity Technologies开发的一款用于三维游戏、可视化建筑模型开发等功能的专业开发工具，可以在Windows和Mac OS X下进行开发，满足了当前主流平台的多种需求。同时Unity3D适应当前各种三维模型格式，支持各种脚本语言，诸如：JavaScrip、C#、Python等，因此在三维场景开发中得到了越来越多的应用[9，10]。

本文介绍的气象雷达仿真模型正是基于Unity3D技术，以3Ds Max软件建模，实现虚拟天气雷达系统的开发，有天气雷达组成原理的介绍、雷达开关机步骤的演示、操作以及雷达检测流程。

三、天气雷达虚拟仿真系统介绍

1.系统整体设计。天气雷达虚拟仿真系统主要是在windows系统上运行，结合实际课程的需要，让学生能够在电脑上完全模拟出现实过程中雷达操作的各个环节和具体步骤，使课堂的教学内容变得更加丰富，寓教于乐。系统主要包括：天气雷达基础知识教学平台、天气雷达测试教学平台和天气雷达测试流程互动仿真考核平台三个方面。其中基础知识平台包括了天气雷达的整体系统结构，利用图文面板的形式，展现了天气雷达的整体结构和相关知识。测试平台包括了常见的雷达性能測试流程以及常见测试工具的使用，包含了雷达发射机、接收机的检测以及示波器、频谱仪、功率计等仪器的使用。考核平台主要是根据需要自主设计出考察题目，完成学生考察工作。具体系统框架结构如图1所示。

2.雷达性能检测实践功能设计。天气雷达虚拟系统的主要核心功能为通过虚拟技术模拟实际雷达使用和操作过程中的一些步骤和环节，其中在天气雷达使用过程中最为重要的为雷达性能检测标定工作。系统一共设计了7个功能检测模块，均为天气雷达在使用过程中需要定期进行检测的环节，部分界面有：发射机重复频率检测、发射机脉冲宽度检测、接收机动态检测、接收机灵敏度检测、回波强度标定检测。

文章以雷达发射功率检测为例，介绍如何在虚拟仿真系统中进行发射机功率检测。进入系统操作界面，选择发射功率检测，此时界面会弹出工具栏，工具栏中有示波器、功率计、频谱仪、衰减器接头以及检波器接头等相关工具。

第一步：选择正确的检测仪器、功率计，若选择错误则会出现错误提示，没法进行下一步操作。

第二步：对功率计进行校零和相关参数设置。只有正确设置好功率计的参数方可进行雷达发射机功率检测。

第三步：选择正确的检测接口，雷达发射机端一共引出了3个接口，其中一路是从发射机的速调管耦合下来的信号，用于进行发射功率的监测和检测。当正确设置好参数的功率计连接上功率检测口后，则弹出功率计的读数界面。

第四步：完整读数以及数据保持记录。

在实践教学模式下，学生进行每一步操作，一旦发生错误都有错误警告，同时不能进行下一步操作，需要返回上一步完成正确的操作方可进行。同时会在系统后台记录下错误操作的信息，供老师对每个学生的学习情况和教学效果进行分析。

3.自主考核系统建立。实践课程的考核方式与理论课程有较大的差距，实践课程考核的目标应该是除了确保学生能够掌握相关的理论知识外，还需要进行正确的实际操作，因此在进行考核设计时除了理论知识的考查外还重点设计了操作环节的考核，考核成绩由20%的理论成绩和80%的实践成绩组成。考试操作系统界面如图2所示。endprint

实踐操作环节的考试分别对应了雷达性能检测的7个环节以及雷达开关机的操作步骤，在考试模式下，学生进行的一切操作均没有错误提示，每个步骤无论错误与否都可以进入到下一步操作，直到最终学生确认提交后才给出相应的错误环节和最终得分。同时结合学生在平时实习操作过程中的情况给出一份有针对性的总评得分报告。

四、结束语

通过Unity3D技术开发的天气雷达虚拟仿真教学系统充分结合了理论教学和实践教学的环节，在保证学生掌握理论知识的基础上，增加了实践动手操作环节，整个系统设计寓教于乐，大大调动了学生学习的积极性，使得他们掌握了天气雷达相关的操作环节和性能检测步骤。

由于系统设计之初务必要求与实际环节一致，因此学生经过本系统的练习和考试，再到实际雷达上进行操作时，不会觉得陌生，可以顺利完成真机的操作。因此本系统可以完全适用在天气雷达原理课程教学的实践环节中，同时也可以作为气象局雷达业务人员进行培训的相关素材，值得大力推广。

参考文献：

[1]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2012.

[2]朱柱.基于Unity3D的虚拟仿真实验系统的设计与应用研究[D].武汉：华中师范大学，2012.5

[3]张静，肖明.开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索.中国电力教育，2014，（36）.176-177.

[4]舒中义.基于Unity3d 技术的三维数字校园系统研究[J].科协论坛：下半月，2012，（12）：80-81.

[5]曹瑜，孙鹏，张红.基于三维虚拟技术的变电设备培训系统[J].电子测试，2013，（5）：101-101.

[6]王星捷，李春花.基于Unity3D平台的三维虚拟城市研究与应用[J].计算机技术与发展，2013，23（4）：241-244.

[7]黄培根，等.multisim 10 计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.