天气雷达系统及应用虚拟仿真实验建设研究

摘  要：天气雷达系统及应用虚拟仿真实验适应我国气象雷达发展的需求，以培养具有专业胜任能力和气象装备管理能力的创新应用型气象探测人才为目标，坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的实验教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，以培养学生掌握天气雷达系统的组成、测试标定以及雷达应用等核心实践能力为切入点，采用3D建模、动画、人机交互等技术自主研发了天气雷达系统及应用虚拟仿真实验，以解决现实中气象探测人才培养的瓶颈。

关键词：天气雷达；虚拟仿真实验；3D建模;实验教学；人才培养

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：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

基金项目：省级应用型示范课“《气象雷达原理与系统》”（川教函〔2019〕31号）；省级一流本科课程“虚拟仿真实验教学《天气雷达参数综合测试》”（川教函〔2021〕493号）

第一作者简介：史朝（1981-），男，回族，四川成都人，博士，副教授，副院长。研究方向为雷达系统及信号处理。

*通信作者：王丽娟（1980-），女，汉族，四川成都人，硕士，讲师。研究方向为雷达系统及信号处理。

自教育部出台虚拟仿真实验建设通知后，伴随着互联网技术的飞速发展，经过多年的努力建设，各高校已形成一批基于虚拟仿真技术，具有创新性、易操作、交互性好的虚拟实验教学平台，丰富了教学形式及教学手段，拓展了高等教育专业课教学的时空，使得学生可以自由根据自身时间和愿望开展模拟操作和强化复习课堂所学理论知识。

本着“虚实结合，以虚补实”的实验设计理念，气象雷达原理与系统课程创建了天气雷达虚拟仿真实验室，并考虑到实验技能递进式培养需求，实验项目涵盖了雷达系统认知、使用、测试与观测应用等不同层次的实验内容。并通过很难在现实条件下开展的虚拟实验提升学生对雷达观测能力与回波特征的认知，例如：天气雷达虚拟观测实验中设计面对同一天气过程下不同雷达参数、不同观测模式下的回波特征差异；天气雷达关键指标测试实验过程中提供多种贵重测试仪表供自由选择，并通过测试的参数进行雷达探测能力计算，从而提升学生综合实验设计能力。

一  实验目标及设计

天气雷达在气象短临预报、防灾减灾等方面发挥着巨大的作用，在气象、民航、水文和环境等领域具有着广泛应用场景。天气雷达的高性能、高可靠性对于支撑气象业务运行与大气科学研究科研至关重要，因此，需要一批熟悉天气雷达系统特征、了解雷达运行操作、熟知雷达测试定标，以及掌握雷达观测应用技能的应用创新型人才。

成都信息工程大学气象雷达原理与系统是四川省精品课程及四川省应用型示范课，2021年获批省级一流课程，是电子信息工程专业（大气探测方向）的主干课程之一。该课程建设的“天气雷达系统及应用虚拟仿真实验”教学目标如下。

第一，认知天气雷达系统组成，剖析关键模块内部结构，掌握雷达关键链路工作原理。

第二，掌握天气雷达测试原理及方法，能够熟练完成实验方案设计与雷达操作。

第三，掌握测试仪表的工作原理与使用方法，包括数字示波器、频谱仪、功率计及信号源等测试仪表。

第四，能够综合分析天气雷达探测能力与开展降水观测应用。

上述实验教学目标的达成有助于学生毕业后快速适应天气雷达运行、维护、应用设计等方面工作，为毕业生成长为高层次应用型新工科人才奠定重要基础。

为达成以上实验教学目标，本实验设置12个实验模块，由图1可知，12个实验项目可分成天气雷达系统原理认知、天气雷达定标测试、天气雷达气象观测应用3种实验主题，实现验证型、设计型与综合型3类不同实验层次与目标能力进阶的实验设计。

二  天气雷达系统及应用虚拟仿真实验设计

本实验的核心要素包括：天气雷达系统原理认知、天气雷达定标测试、天气雷达气象观测应用三大实验模块。

（一）  天气雷达系统原理认知虚拟仿真

天气雷达原理认知虚拟仿真实验主要包括：天气雷达速调管实验（图2）、天气雷达射频放大链路实验（图3）。

速调管是天气雷达发射机的核心部件，通常是在发射机机柜中，被聚焦线圈、散热模块等工作附件包裹着，很难看到速调管的完整外形，更重要的是速调管内部复杂抽象的电磁变化过程增加了学生对速调管工作原理的理解难度。在该实仿真验中首先让学生认知雷达机房环境，在雷达机柜中选择雷达发射机柜，选出速调管，在对速调管外形结构认知的基础上，剖开速调管内部结构，对其内部组成进行分解认知，并通过分解实验操作，以动画方式将复杂难以想象的速调管内部工作过程、射频放大链路形象化地展示出来，加深学生认知与理解。

（二）  天气雷达关键指标的定标测试实验

天气雷达关键指标的定标测试实验主要包括8个实验项目：发射机输出脉冲包络测试、发射机输出功率测试实验、发射机输出频谱测试实验、发射机动目标改善因子测试实验、接收机噪声系数测试实验、接收机灵敏度测试实验、接收机动态范围测试实验和镜像频率抑制等内容。虚拟实验场景包括了雷达机房、雷达天线、测试仪表等基本模型。雷达机房对雷达发射机、接收机、馈线及速调管等关键系统进行了建模，能够反映出天气雷达系统基本组成，并提供了基本的系统测试端口；雷达天线包括了反射体、天线座、低噪放与保护器等模块，如图4所示。

（三）  天气雷达气象观测应用实验

天气雷达气象观测应用实验主要包括：天气雷达方程实验、天气雷达观测应用实验（图5）。该实验模拟了降雨与晴空不同天气现象，学生需要综合考虑雷达选址、雷达关键性能参数、雷达观测模式对天气过程观测的影响。特别是天气雷达的探测威力与时空分辨率。

（四）  实验教学过程

本实验共8学时，实验教学过程是以高阶挑战性问题为导向，设计复杂多要素综合作用下的探索式实验教学模式。

实验教学流程如图6所示，课程教学的首次导论课后，将天气雷达发展现状与需求、探测精准性专题问题和多种案例一起发给学生，同时学生在班委的组织下自行分组。

实验课前，学生通过教材、慕课视频、实验指导书等资源预习相关理论知识，针对实验内容进行自主学习和准备。

课堂上，授课教师通过天气雷达实际应用中探测精准性引发出的理论与技术问题，引导学生先进行交锋讨论，形成一定的共识或争议；然后以虚仿实验系统为依托，引导学生在线实验操作，查找问题的可能来源，并在授课教师的启发下，分析可能影响天气雷达探测精准性的关键模块，并对其进行线上虚拟的性能参数定标测试与实验结果记录，接下来在授课教师的引导下根据理论知识对天气雷达性能参数、扫描策略进行改善优化，并线上操作分析在不同硬件要素变化条件下，对探测能力的影响程度。反复优化改进实验效果，提交最终实验结果，撰写实验报告，授课教师在实验过程只是发挥引导、释疑和推动作用。

三  实验应用及共享情况

本实验主要面向电子信息工程专业（大气探测方向）、电子信息科学与技术的大三、大四年级学生；涉及专业课程包括气象雷达原理与系统、雷达气象学、雷达实习等课程。2017年12月1日，该课程在本校上线，截至2019年已服务过的学生人数：本校超1 000人，外校社会学习者约510人。

四  结束语

自国家虚拟仿真实验中心建设开展以来，虚拟仿真实验学习一直是高校教学工作的重点内容，大数据网络不断推动该新兴教学手段发展，以契合新时代学生的学习行为习惯。同时，虚拟仿真实验在新冠感染疫情这样的特殊时期体现出了其优越的便利性及不可取代性。但线上虚拟实验存在由于缺乏学生与学生之间、学生与授课教师之间的互动讨论，其单一的人机交互模式弱化了线下课堂的师生互动感。因此，如何利用网络技术保障师生之间的互动，提高学生的参与感是虚拟实验建设中后续要着重思考及努力的方向。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部．关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130 821_156121.html.

[2] 周莹，蔡燕飞，巩凯，等．疫情间的实践课程虚拟仿真线上教学探索[Ｊ].实验室研究与探索，2020，39（11）：119-122.

[3] 欧阳永中，陈忻，郭伟清．新工科背景下仪器分析教学改革思路初探[J]．广东化工，2019，46（13）：235-236．

[4] 陈敏，郭百涛，刘钰．多学科资源共享实验室大型仪器开放平台探究[J]．实验室研究与探索，2020，39（2）：281-284.

[5] 陈俊平，孙丹，胡爱红．研究生现代分析测试技术课程实验教学改革探索[J]．新课程研究（中旬刊），2011（2）：105-106．

[6] 薛成龙，李文．国外三所大学线上教学的经验与启示[Ｊ]．中国高教研究，2020（4）：12-17．

[7] 李少军，邹云峰，农清清，等．毒理学网络教学资源建设现状分析及思考[Ｊ]．毒理学杂志，2019，33（5）：421-424．

[8] 王竹立．后疫情时代，教育应如何转型？[Ｊ]．电化教育研究，2020（4）：13-20．

[9] 谷苗苗，姚开安，周爱东．仪器分析实验课程改革探索[J]．实验技术与管理，2014，31（3）：190-192．

[10] 厉旭云，王琳琳，梅汝焕，等．生理科学实验课程线上、线下混合教学模式的学习效果评价[Ｊ]．基础医学与临床，2019，39（12）：1781-1784．