基于虛擬仿真技術的“氣象雷達原理”實踐課程建設

胡漢峰

摘要：“天氣雷達原理”是大氣探測專業類的基礎核心課程，是氣象部門就業環節中必不可少的一個專業技能。然而天氣雷達作為一種大型儀器設備，無論是從設備造價還是設備配備的角度來講，都很難在本科教學中投入大規模建設；而且從儀器設備安全使用角度來看，也很難做到每個學生都實際動手操作天氣雷達。在現代電子技術高速發展的情況下，結合虛擬仿真技術，以Unity3D技術開發虛擬平臺模擬現實雷達中的各個部件以及操作流程，使學生掌握氣象雷達原理，提高專業人才培養質量。

關鍵詞：天氣雷達；虛擬仿真；Unity3D；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）37-0053-03

一、前言

天氣雷達原理是大氣探測專業的一門非常重要的專業課程，課程培養的最終目的是使得學生經過本課程的學習能夠熟悉和理解天氣雷達的基本工作原理，掌握天氣雷達操作步驟以及各種信號檢測維護方法。然而由于天氣雷達的造價非常昂貴，且專業操作性較強，因此高校實驗室配備了天氣雷達后，為了雷達設備本身的使用安全以及實驗室的正常開放使用，很難做到讓每個學生都實際動手對雷達進行操作和測量，實際情況更多的是老師進行操作，學生只能在旁邊觀看，無法親自操作，這樣就增加了學生對雷達部件工作原理理解的難度，使得實踐教學的效果大打折扣，長此以往，不利于學生對該知識的理解和對雷達的實際操作檢測。

為了更好地把天氣雷達的工作原理以及其基礎理論知識更加形象地展現出來，并且讓每個學生都能真實地對雷達進行操作、檢測，本文以虛擬仿真技術全實景地展現了天氣雷達的組成結構以及各種信號測試流程，最終導入到Unity3D引擎中，開發了一套虛擬仿真技術的天氣雷達仿真系統，豐富了課堂教學的方法，使得學生更加形象地理解了所需知識，同時也通過在電腦上的虛擬操作完全模仿了天氣雷達工作過程中的實際操作步驟以及測試流程，實現教育從傳統多媒體技術到現代信息化階段的一個轉變[1，2，3]。

二、虛擬仿真技術

虛擬仿真又稱虛擬現實技術或者模擬技術，即用虛擬的系統模仿真實的系統[4，5]。該技術的核心是采用現代計算機技術在電腦上對現實中的系統進行仿真，使得人們可以在電腦端進行完全模擬現實的操作，因此虛擬仿真技術要求虛擬出來的系統要完全與實際系統相同，符合實際系統的各種特征，具有以下四個特征：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的一個非常重要的因素，因此采用虛擬仿真技術進行實驗及理論教學，從技術本身而言符合了現代化教學的發展趨勢和要求。

Unity3D是由Unity Technologies開發的一款用于三維游戲、可視化建筑模型開發等功能的專業開發工具，可以在Windows和Mac OS X下進行開發，滿足了當前主流平臺的多種需求。同時Unity3D適應當前各種三維模型格式，支持各種腳本語言，諸如：JavaScrip、C#、Python等，因此在三維場景開發中得到了越來越多的應用[9，10]。

本文介紹的氣象雷達仿真模型正是基于Unity3D技術，以3Ds Max軟件建模，實現虛擬天氣雷達系統的開發，有天氣雷達組成原理的介紹、雷達開關機步驟的演示、操作以及雷達檢測流程。

三、天氣雷達虛擬仿真系統介紹

1.系統整體設計。天氣雷達虛擬仿真系統主要是在windows系統上運行，結合實際課程的需要，讓學生能夠在電腦上完全模擬出現實過程中雷達操作的各個環節和具體步驟，使課堂的教學內容變得更加豐富，寓教于樂。系統主要包括：天氣雷達基礎知識教學平臺、天氣雷達測試教學平臺和天氣雷達測試流程互動仿真考核平臺三個方面。其中基礎知識平臺包括了天氣雷達的整體系統結構，利用圖文面板的形式，展現了天氣雷達的整體結構和相關知識。測試平臺包括了常見的雷達性能測試流程以及常見測試工具的使用，包含了雷達發射機、接收機的檢測以及示波器、頻譜儀、功率計等儀器的使用。考核平臺主要是根據需要自主設計出考察題目，完成學生考察工作。具體系統框架結構如圖1所示。

2.雷達性能檢測實踐功能設計。天氣雷達虛擬系統的主要核心功能為通過虛擬技術模擬實際雷達使用和操作過程中的一些步驟和環節，其中在天氣雷達使用過程中最為重要的為雷達性能檢測標定工作。系統一共設計了7個功能檢測模塊，均為天氣雷達在使用過程中需要定期進行檢測的環節，部分界面有：發射機重復頻率檢測、發射機脈沖寬度檢測、接收機動態檢測、接收機靈敏度檢測、回波強度標定檢測。

文章以雷達發射功率檢測為例，介紹如何在虛擬仿真系統中進行發射機功率檢測。進入系統操作界面，選擇發射功率檢測，此時界面會彈出工具欄，工具欄中有示波器、功率計、頻譜儀、衰減器接頭以及檢波器接頭等相關工具。

第一步：選擇正確的檢測儀器、功率計，若選擇錯誤則會出現錯誤提示，沒法進行下一步操作。

第二步：對功率計進行校零和相關參數設置。只有正確設置好功率計的參數方可進行雷達發射機功率檢測。

第三步：選擇正確的檢測接口，雷達發射機端一共引出了3個接口，其中一路是從發射機的速調管耦合下來的信號，用于進行發射功率的監測和檢測。當正確設置好參數的功率計連接上功率檢測口后，則彈出功率計的讀數界面。

第四步：完整讀數以及數據保持記錄。

在實踐教學模式下，學生進行每一步操作，一旦發生錯誤都有錯誤警告，同時不能進行下一步操作，需要返回上一步完成正確的操作方可進行。同時會在系統后臺記錄下錯誤操作的信息，供老師對每個學生的學習情況和教學效果進行分析。

3.自主考核系統建立。實踐課程的考核方式與理論課程有較大的差距，實踐課程考核的目標應該是除了確保學生能夠掌握相關的理論知識外，還需要進行正確的實際操作，因此在進行考核設計時除了理論知識的考查外還重點設計了操作環節的考核，考核成績由20%的理論成績和80%的實踐成績組成。考試操作系統界面如圖2所示。endprint

實踐操作環節的考試分別對應了雷達性能檢測的7個環節以及雷達開關機的操作步驟，在考試模式下，學生進行的一切操作均沒有錯誤提示，每個步驟無論錯誤與否都可以進入到下一步操作，直到最終學生確認提交后才給出相應的錯誤環節和最終得分。同時結合學生在平時實習操作過程中的情況給出一份有針對性的總評得分報告。

四、結束語

通過Unity3D技術開發的天氣雷達虛擬仿真教學系統充分結合了理論教學和實踐教學的環節，在保證學生掌握理論知識的基礎上，增加了實踐動手操作環節，整個系統設計寓教于樂，大大調動了學生學習的積極性，使得他們掌握了天氣雷達相關的操作環節和性能檢測步驟。

由于系統設計之初務必要求與實際環節一致，因此學生經過本系統的練習和考試，再到實際雷達上進行操作時，不會覺得陌生，可以順利完成真機的操作。因此本系統可以完全適用在天氣雷達原理課程教學的實踐環節中，同時也可以作為氣象局雷達業務人員進行培訓的相關素材，值得大力推廣。

參考文獻：

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[2]朱柱.基于Unity3D的虛擬仿真實驗系統的設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學，2012.5

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[10]陳曉青，王少偉.基于Unity的虛擬現實技術在教育中的應用[J]，軟件導刊，201L，（12）：76-78.endprint