飞行器电磁散射特性分析的虚拟仿真实验建设

马学条， 程知群， 周 涛， 刘国华， 张忠海， 姜佐腾

(杭州电子科技大学 电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心，杭州 310018)

0 引 言

隐身飞行器研究对于军事现代化和军事强国建设意义重大，电磁散射特性实验能够提高国防科技人才设计隐身飞行器的能力[1]。然而，受到经费和安全因素限制，普通高校难以通过建设相控阵雷达系统等大型军事装备对运动中的飞行器电磁散射特性进行测量和分析，学生更难有机会通过实体实验接触此类高成本、不可及的研究工作。此外，采用专业工程软件对复杂环境中的飞行器进行表面电场分布建模仿真，需要使用大型服务器等硬件设备，花费数天甚至数周的时间，才能完成一项特定参数的仿真运算；学生在有限的实验课时数内难以完成此类长周期的仿真实验。

1 虚拟仿真实验建设思路

将信息化技术应用于实验教学，解决教学过程中的时间、成本和条件不可及难题，弥补受地域环境、仪器设备、和安全因素等限制的现实问题；对于探索实验教学新模式、培养多学科交叉复合型人才具有重要而深远的意义[2]。

飞行器电磁散射特性分析虚拟仿真实验，基于WebGL技术进行三维场景构建，模拟客机和战斗机在理想环境中受到微波雷达信号入射的表面场强分布。有效解决在有限的实验课时数内，让学生定性的完成对运动中的飞行器进行电磁散射特性分析；通过互动式情境教学，激发实验兴趣，培养学生自主研学能力。

(1) 实验教学与科学研究良性互动。实验教学紧跟学科前沿，构建多元化开放式实验教学体系；以满足现代国防军工企业对学科交叉人才的需要。同时，吸收学有余力的学生参与国防科研项目的研发，提高学生的实践动手能力、培养学生的工程创新意识[3]。

(2) 抽象问题形象化、复杂问题简洁化。将抽象的电磁场传播理论以交互式三维动画的形式向学生直观展示出来；将飞行器受到雷达辐射后的复杂表面场强分布特性以电场分布图进行呈现；将虚拟仿真与实体验证实验相结合，实验室提供飞行器模型和高性能电磁散射测试系统供学生测试飞行器的散射特性。

(3) 打破飞行器散射实验中存在不可及的教学瓶颈。传统散射特性实验需要高标准的实验场地和射频仪器配置，成本高，实验周期长，无法测量出雷达电磁辐射对飞行器的直观影响；在有限课时数内只能完成少量实验内容，多数高校难以开设该实验项目。

(4) 将深奥的电磁场理论与飞行器隐身设计实例相结合。通过实验项目将电磁场理论和飞行器设计进行有机融合；延伸了“电磁场与电磁波实验”教学内容的深度，拓展了电子信息类专业和飞行器设计专业学生的视野；升级改造了两个传统工科专业，符合“新工科”建设趋势[4]。

2 虚拟仿真实验教学设计

实验教学涵盖“微波雷达信号辐射规律仿真”→“飞行器表面电场分布仿真”→“RCS测量仿真”三层次，通过仿真设计让学生了解微波雷达信号的反射信号强度与传输距离、飞行器材料和形状等参数之间关系，加深对飞行器隐形原理理解；通过多组RCS测量数据分析、归纳和总结，掌握不同飞行器类型、飞行方位角、表面覆盖材料对飞行器RCS的影响和变化趋势。

完成仿真操作后，学生可利用实验室配备的飞行器模型和电磁散射测试系统开展虚实融合测试，探究提高飞行器隐身性能的有效途径。实现仿真指导实体实验、实体实验验证仿真的闭环流程。通过方案设计、实体场景搭建、多因素敏感性分析等实验环节，切实提升学生的实验技能和自主研学能力。

2.1 对应知识点

知识点1电磁场概念及微波雷达信号的电磁辐射特性。

知识点2在频域下，飞行器表面电场分布随微波雷达信号入射角度与飞行器表面形状的变化规律。

知识点3在时域下，飞行器表面电场分布随微波雷达信号入射角度与飞行器表面形状的变化规律。

知识点4飞行器的RCS与入射微波雷达信号的频率、角度、雷达类型和飞行器表面形状、飞行器尺寸以及飞行器表面材料的关系。

2.2 实验步骤

飞行器电磁散射特性分析实验教学为4个课时，分为11步操作步骤；实验操作流程如图1所示。

图1 实验操作流程图

实验教学保留了专业软件仿真结果准确度高以及直观的优点，同时避免了专业仿真软件应用门槛比较高的缺点；实验仿真操作具有多种选择性，改变电路参数或仿真设置，将影响仿真结果，鼓励实验者积极探索尝试，得出有工程应用价值的实验结论。实验操作步骤如表1所示。

2.3 结果要求

实验教学采用了阶段连续式的教学方法，结合多元化的评价方式，倡导自主研学、互帮互学的学习模式[5]。学生按实验步骤要求完成实验设计，记录实验中涉及的各项数据并进行归纳分析，探究各参数间的相互关系，给出参数优化方案。F117飞行器RCS测量仿真结果如图2所示；学生根据电场分布图进行多因素敏感性分析，总结飞行器RCS增大、减小的影响因素以及设计有效探测RCS的方案[6]。

实验教学注重发挥学生的自主性，从仿真实验、虚实融合验证、结果讨论等环节均以学生为主体，让学生去探索、去思考设计过程。另外，实验成绩评定还包含学生的实验行为规范、团队协作、实验总结报告等；通过实验教学使学生的综合素养得到提升[7]。

表1 实验操作步骤

(a) 433 MHz信号水平入射

(c) 433 MHz信号垂直入射

3 三维仿真软件开发

飞行器电磁散射特性分析虚拟仿真软件基于WebGL技术进行三维场景构建；Web前端由HTML、CSS和JS组成；服务端采用node.js编写、Nginx代理，实现快速部署扩容与高并发特性[8]。前后端业务交互如图3所示。

图3 前后端业务交互图

前端渲染流程如图4所示。WebGL挂载于页面的Canvas对象中，通过浏览器调用显卡加速运算。场景渲染采用MVVM架构，将数据模型和用户界面进行分离，使每一帧画面都从场景数据中运算得到，场景中的交互操作通过状态迁移函数修改数据，并在之后的渲染呈现。开发的Web前端页面符合W3C规范，网站页面无需安装任何插件即可在包括手机浏览器在内的大部分浏览器运行[9]。

图4 前端渲染流程

后端运用Node.js开发，并利用对象存储服务器托管JavaScript源码、CSS表和三维模型等大文件。利用分布式架构与负载均衡功能，加速页面加载速度；网络速率为50 Mbps时，可以达到3 s的首屏加载时间与10 s的加载完成时间[10]。此外，通过WebSocket和Ajax技术，前端页面可以提前加载三维模型，加快场景切换过程；三维仿真软件操作界面如图5所示。

4 教学实施情况

实验教学项目每年面向航空航天、电子信息、通信等专业1 800多名学生开展教学工作，通过三维仿真设计、虚实结合调试、课外实践拓展等培养环节，提高了学生的工程创新能力和参与各类学科竞赛的积极性；经实验课程直接培养的学生，获各类学科竞赛国家级奖励56人次，发表论文22篇，授权专利18项[11]。

以虚拟仿真为平台的实践教学模式获得2016年浙江省教学成果一等奖；基于教学项目开发的飞行器系列科普内容应用于杭州市青少年发展中心、浙大附属中学、杭州文海教育集团等中小学的科技启蒙课程教育；与海康威视等企业联合共建了飞行器电磁辐射实践教学基地[12]。

5 结 语

基于多学科交叉复合型人才培养，我校《电磁场与电磁波实验》课程进行了系列改革和研究；在不减少电磁场理论必备的基本内容前提下，将电磁场理论知识与飞行器隐身设计技术进行了有机融合；推动学科专业交叉融合，更新工程人才知识体系[13]。该实验教学项目已在我校及兄弟院校推广使用多年，具有如下特点：

(1) 通过自主开发的飞行器电磁散射特性分析三维仿真软件进行实验教学，将枯燥的电磁场理论结合飞行器实例，以直观的三维动画效果进行呈现，增强了实验的趣味性。

(2) 借助国家级虚拟仿真实验教学中心在线教学管理平台，学生可远程使用三维仿真软件在线完成飞行器电磁散射特性分析实验，达到“处处能学、时时可学”的泛在学习；提高学生实验灵活性的同时，节省了实验成本[14]。

(3) 实验教学项目融合了电磁场理论和飞行器隐身设计的相关知识点，延伸和拓展了传统的授课内容；通过虚拟仿真、虚实融合，引导学生多起点、多方位、多层次思考和分析如何通过参数优化提高飞行器的反雷达探测能力[15]。