虛擬仿真技術在水聲工程國防特色專業中的應用—以復雜海洋環境中的聲吶被動探測性能分析實驗為例

殷敬偉 生雪莉 高明生 周 天 郭龍祥 韓 笑 朱廣平 陳文劍

1.哈爾濱工程大學水聲工程國家級實驗教學示范中心 黑龍江哈爾濱 150001

2.哈爾濱工程大學水聲工程學院 黑龍江哈爾濱 150001

教育部自2013年起，分批建設了多個具有引領示范作用的虛擬仿真實驗教學中心[1]，并于2018年1月公布了首批建設的105門國家虛擬仿真實驗教學項目，標志著虛擬仿真技術在國內實驗教學應用的大幕正式開啟。

復雜海洋環境中的聲吶被動探測性能分析實驗是國防特色專業水聲工程人才培養中的重要教學內容，它對學生創新思維、創新能力的培養與激發起著非常重要的作用。但由于現實條件制約，學校無法保證為每位學生都提供親臨各個海域進行聲吶設備實驗的條件。

1 傳統實驗教學方式中存在的不足

1.1 受實驗儀器設備等條件的影響

水聲工程是一個實踐性較強，且具有很強的國防特色的工科專業。國防特色屬性，注定了它在學生實踐能力培養方面對所需儀器設備性能指標要求的高標準和高要求，間接造成國防特色專業實驗成本較普通專業偏高，無法保證學生在進行實驗教學活動中每人有一套設備。

1.2 受實驗環境的影響

水聲工程專業是一個研究聲波在水中傳播特性的科學，因此本專業人才培養離不開到海區進行海況的實驗。由于我國海岸線較長、海域遼闊、海況復雜，所以不可能保證每位學生都有對所有海況進行實驗的機會。

1.3 受實驗教師人數的影響

由于實驗教師在職稱評定、工資待遇方面不受重視，導致實驗教師隊伍人數偏少，同時隨著高校本科人才培養規模的不斷擴大，實驗指導教師相較于日益增長的學生而言相對短缺，無法實現小班上課或使用研討式、探究式授課。

2 復雜海洋環境中聲吶探測性能分析虛擬實驗設計思路

2.1 虛擬實驗需求背景及設計思路

2.1.1 需求背景

聲吶設備是利用聲波進行水下通信、探測的船舶電子設備之一，為船舶安全航行和信息獲取提供技術保障。傳統聲吶技術相關課程教學多以理論推導、圖片與視頻介紹為主，難以動態展示聲吶工作過程和性能，更無法直觀講解聲吶與海洋環境間的博弈關系。此外，現場實驗運行成本高、重復性差[2]的情況也限制了參與各種海況實驗的人數和次數。

2.1.2 設計思路

依托水聲特色，實驗圍繞海洋水聲設備設計中的科學問題，服務于海洋科學研究、海洋資源勘探與開發、海軍作戰等應用需求。

實驗通過對虛擬海洋環境中虛擬聲吶設備的探測性能進行仿真實驗，為水聲工程專業的師生提供水中目標、復雜環境、聲吶系統相結合的實驗教學平臺，全景、動態地反映目標、海洋與聲吶的相互作用關系。

通過虛擬實驗建設，一方面有效地提高專業實驗課程建設的系統性和完備性；另一方面培訓學生掌握開展水聲技術研究所必需的基本理論和基本技能，進而形成系統的聲吶研究科學思維模式和良好科研習慣，從而培養學生的實驗觀察能力和運用實驗手段學習水聲技術相關基本理論以及解決水聲實際問題的綜合能力，并實現虛擬實驗資源的共享[3]。

2.2 虛擬實驗儀器設備配置

復雜海洋環境中聲吶探測性能分析實驗裝置的計算服務和管理上采用多級分層、流程化布局。包括三級管理和服務節點。

2.2.1 復雜海洋環境與聲吶處理性能計算服務器

該節點是底層計算服務器，負責對接收到的目標態勢、聲吶配置參數、聲場環境信息進行計算響應，實現復雜動態海洋環境傳播特性模擬、聲吶信號生成、多域復雜聲吶信號處理，并將聲吶輸出反饋到結果管理服務器。該節點設置在哈爾濱工程大學水聲工程學院電子信息中心。

2.2.2 聲吶仿真信息管理服務器

該節點作為底層服務器的上級，負責對用戶進行消息響應，將之分解為計算參數。接收計算服務器節點反饋數據，在本地進行授權用戶管理，進行虛擬仿真實驗的運維管理。該節點依托哈爾濱工程大學本科生院虛擬課程公共管理服務器運行。

2.2.3 實驗效果評估反饋管理服務器

該節點是復雜環境下的聲吶探測性能分析虛擬實驗裝置的頂層管理節點，負責對運行效果統計評估、學生實驗效果(打分)管理、實驗部件動態調整，并接收外部評測。該節點根據要求在x-lab“雙創”教育平臺上進行公共開發和測評。

與多層級化、流程化、精密化的課程管理服務相對的是用戶客戶端訪問的最大化、靈活性、便利性。用戶可以選擇多種方式進行實驗，可以在實驗室局部進行課上實驗；可以通過教育網內部局域網進行共享實驗；也可以通過互聯網，根據授權賬戶和密碼訪問進行完整實驗；同時系統還為普通用戶訪問進行科普級實驗提供支持，從而最大限度地保證虛擬教學仿真用戶普惠受眾，如圖1所示。

圖1 復雜海洋環境中聲吶探測性能分析虛擬實驗系統

2.3 虛擬實驗教學方法

2.3.1 采用現代化的網絡手段提升授課效果

利用網絡預習系統讓學生進行網上預習，其目的：一是了解實驗的基本原理；二是了解實驗的基本過程；三是熟悉實驗的基本步驟。例如，被動聲吶工作原理預習演示，學生在網上可直觀看到被動聲吶的工作過程，以及被動聲吶信號處理結果的實裝顯示形式，這為課堂的實際講解分析奠定了基礎，使學生有的放矢，這樣的預習對于后續的實驗幫助很大，課堂效果良好。另外，通過規范化的基本操作演示能夠規范實驗基本操作，統一教學的基本要求。例如，復雜海洋環境特性觀察與分析實驗，不僅能夠給學生提供對海洋環境聲傳輸特性的直觀認識，甚至能夠直接參與虛擬的聲傳播測試，這對于學生的課堂分析和處理十分有利，課堂效果顯著。

2.3.2 探究式授課方式革除傳統教學中學生被動接受的弊端

引入啟發式、研討式、問題探究式等多種新的教學方法，將實驗教學由機械式的操作過程轉變為探究式的學習過程，將實驗教學作為學生學習知識和技能的一種手段，而不只是理論的驗證過程。例如，使用本實驗中的被動聲吶工作原理演示時，在啟發式教學中引導學生認知聲吶工作環境、過程、特點；通過對艦船、潛器等多型聲吶搭載平臺自噪聲觀測與特性分析，開展研討式教學，讓學生充分領會噪聲來源及抑制途徑。

2.3.3 將傳統與現代化的教學手段相結合 形成虛實結合和反差強烈的實驗教學方法

依托水聲工程學院雄厚的科研實力，提供國內領先的海洋環境模擬、觀測與分析功能，學生可以根據需要任意調整環境、聲吶參數，通過互動式虛擬實驗總結歸納海洋環境對聲吶影響的規律，同時在線上、線下與教師探討相關科學問題。

以上的實驗教學方法，擺脫了實驗教學與復雜海洋實際情況脫節的窘境，打破了海洋與聲吶難以進入課堂的教學瓶頸，打造出虛實結合、直觀生動的學習課堂。在保證實驗分析與理論結果的科學性的同時，也讓學生認識到理論知識的局限性、聲吶設備的應用條件，同時也讓學生感受到現實中科學問題的難點和創新方向，這對于提高學生的創新意識，特別是創新能力意義非凡。

3 虛擬實驗項目內容架構及訓練要求

3.1 虛擬實驗項目內容架構

3.1.1 被動聲吶工作原理演示

通過虛擬仿真實驗示范演示，使學生全面了解被動聲吶工作場景、工作過程、主要功能、聲吶顯控平臺功能等特點，如圖2所示。

圖2 實驗登錄界面

3.1.2 被動目標信號特性觀察與分析

通過對被動目標輻射噪聲參數的設置，被動目標信號的觀測及處理，使學生充分掌握水聲中隨機信號特性及分析方法，如圖3、圖4所示。

圖3 目標庫

圖4 目標軌跡設置

3.1.3 復雜海洋環境特性觀察與分析

通過對虛擬聲場環境要素的設置及調整，觀測不同海洋環境聲傳播物理特性，能量傳播損失規律、聲場分布特點、相干多途濾波特性、隨機時變濾波特性等，總結海洋環境參數對聲傳播的影響，探索復雜海洋環境給聲吶設備帶來的可能性制約因素，如圖5、圖6所示。

圖5 復雜海洋環境參數選取

圖6 復雜海洋環境特性觀察與分析(局部)

3.1.4 被動聲吶搭載平臺自噪聲觀測與分析

通過對虛擬聲吶設備搭載平臺的設置及調整，觀測聲吶設備搭載平臺噪聲影響規律及特性，總結平臺噪聲對被動聲吶性能的影響，探索被動聲吶克服平臺噪聲干擾的可能途徑，如圖7所示。

圖7 平臺自噪聲動態觀測

3.1.5 被動聲吶處理性能觀察與分析

通過對被動聲吶水下探測態勢、信號處理工作參數的設置及調整，觀察被動聲吶空域濾波的指向性、空間增益、目標方位估計、空時處理的增益、目標跟蹤性能、環境適配性能等特性，配合多維度聲吶輸出顯示，分析環境變化對被動聲吶信號處理的影響，如圖8所示。

圖8 聲吶處理性能觀測(局部)

3.2 虛擬實驗項目結果與結論要求

(1)是否記錄每步實驗結果：是；否。

(2)實驗結果與結論要求：實驗報告；心得體會；學生提問；用戶意見。

(3)其他描述。

①給出虛擬實驗中通過觀察學到的被動聲吶工作原理基本概念和基本規律，并與理論對比，寫出自己的認識。

②給出通過觀察、分析學到的被動目標信號特性觀察與分析結果，并與隨機信號分析課程的理論對比，寫出自己的認識。

③給出通過觀察、分析學到的復雜海洋環境特性，并與水聲學、水下聲信道課程的理論對比，寫出自己的認識。

④給出通過觀察、分析學到的被動聲吶搭載平臺自噪聲特點，寫出自己對環境制約設備性能的認識。

⑤給出通過觀察、分析學到的被動聲吶信號處理性能，并與聲吶技術理論對比，寫出自己的認識。

⑥對于概念和規律要得出明確結論，并與教材統一(包括正確性)。

⑦對于對比的實驗結果，鼓勵得出開放式和自我定義式的結論。

4 虛擬實驗教學特色

4.1 實驗項目的國防特色

復雜海洋環境中的聲吶被動探測性能分析虛擬實驗，依托哈爾濱工程大學水聲工程國防特色學科的教學科研的強大優勢，本著立足世界科技前沿、瞄準國家重大需求、服務國防建設的總體目標。在實驗項目設置方面選擇一些經典或真實實驗無法觀測的目標，如海洋環境、聲吶設備耦合作用機理等問題，通過虛擬仿真、動畫演示的方式進行實驗，達到虛實結合、優勢互補的目的。

4.2 科研反哺教學

將水聲工程學科海洋信息技術、深遠海信息現代化及海洋資源調查等方面的最新科技成果，應用到虛擬項目中，從科研項目和解決工程問題的角度出發，豐富實驗教學內容[4]，由此突破了本科生無法接觸到學科前沿技術和熱點問題的桎梏，實現了人才培養與科學研究的緊密結合。

5 結語

本研究通過虛擬海洋環境中的聲吶被動探測性能分析實驗項目建設，為水聲工程領域廣大學生和科技一線技術人員提供多種海況實驗條件，為水聲技術實驗積累經驗，為推進水聲技術的發展貢獻力量。