魏兵:追电逐波的筑梦者

1993年,他在北京师范大学物理系固体及粒子束物理专业完成了人生第一个阶段的升华,之后扎根祖国大西北教书育人,桃李满天下。

1999年,他选择到赓续红色基因的西安电子科技大学攻读无线电物理专业博士学位,此后投身电磁计算及其应用方面研究,逐渐成长为电磁航道逐波者。

他是魏兵,西安电子科技大学教授,无线电物理专业博士生导师,时域电磁计算领域研究的领航人。

西安电子科技大学西大楼,一座以“物理改变世界,光电引领未来”为理想的著名教学楼,是电磁学领域的圣地,老一辈电磁学家汇聚于此,以“物理为基,光电为导”,薪火相传。成长在此沃野之中的魏兵,继承前辈优良传统的同时致力创新,带领团队在电磁理论、计算电磁学、目标时域响应仿真、时域综合测量及其应用等领域追电逐波,建设了一支我国时域电磁计算应用领域别具特色的生力军。

甘肃天水,以“天河注水”盛名于世,传说中是伏羲氏的出生地。这里曾经山原广阔,水草丰茂,植被茂盛,被誉为“陇南林海”“林泉之冠”。这里农牧业交错,人们善骑射,习武功,是作战补充兵源的雄厚基地。

魏兵的家乡,在甘肃天水。小时候,他无忧无虑地学习、成长。由于父母是教师,他在校园里度过了自己的童年,养成了喜欢思考的习惯。高考填志愿时,他依照父母的意志,选择了师范类院校;又按照自己的兴趣,选择了物理学专业,又很荣幸地成为北京师范大学物理系固体及粒子束物理专业莘莘学子中的一员。从此,学高为师、身正为范,魏兵矢志在教师这一岗位上深深扎根。

大学里的时光总是快乐的。课堂上,有魏兵活跃的身影。他总是好奇物理学与周围生活之间的关联,有问不完的问题。下课后,运动场上,他是帅气的篮球运投手,还是1500米跑道上不停向前的长跑健将。图书馆里,魏兵的世界不仅是属于物理的,还有汪国真的诗,李泽厚的美学,以及名家画作的陪伴……

毕业时,魏兵毫不犹豫地选择回到养育自己的家乡——甘肃天水师范学院物理系,成为一名教师。在他心里,教师是神圣的职业。这既源于父母的言传身教,更源于自己的理想信念。因为他知道科技才能强国,物理改变世界,他希望能在这里,培养出众多优秀的中学物理教师,让自己对物理的挚爱播撒在孩子心间,用物理开启他们的未来。那时候,他不仅是任课教师,主讲物理学课程;他还是班主任,带着同学们去实习。“我们下去实习的时候,带着床,带着‘大师傅’,带着锅灶,那个阵仗,不亚于出兵打仗。”现在回忆起来,魏兵依然记忆犹新,“我不光要带好实习教学工作,还要带着同学们去采买粮油蔬菜、日用品,给同学们印制饭票,和同学们相处甚欢。”

魏兵非常感激那段青春岁月。正是在那段艰苦时光里,他更多地接触了社会,锻炼了自己。魏兵说:“基层的锻炼,让我终生受益,让我知道了基层是什么样的,也深深懂得了做事情的不易。最重要的是,我学会了隐忍、坚持和努力。”他还感谢与学生一同成长的经历,“大学时学的好多课程内容,当时理解得不是很到位。但到师范学院教书后,因为讲课首先要自己理解透,才能给同学们讲,这就使我必须查缺补漏。这个过程,也让我对物理学知识有了更深入的了解和更浓厚的兴趣。”

怀抱研究一门理论和实践紧密结合学科的梦想,魏兵的下一站,选择了西安电子科技大学无线电物理专业。“因为这一专业最早的老师来自武汉大学,他们在电波传播方面拥有丰富的经验和雄厚的技术实力。”慕名而来的魏兵1999年到此攻读硕士研究生,师从国内知名电磁学者葛德彪教授,2000年,转为攻读博士学位。并从此在光电时域计算电磁学领域深耕不辍。

从小耳濡目染立下为师志向,到一直置身于茵茵校园为学、为师,魏兵对教书育人这份光辉事业一直持有崇高的敬意和热情。无论为学,还是为师,他捧出的是一颗滚烫的“师者仁心”,也正是这颗仁心,成就了他和团队在科研、人才培养等诸多领域的突出贡献。

从1999年进入西安电子科技大学开启科学研究的征程,到博士毕业后留校至今,投身电磁理论、时域计算电磁学及其应用方面研究二十余载,魏兵及其团队在电磁理论、复杂介质电磁场时域数值算法、电磁算法的改进和计算机的发展结合等方面有诸多可圈可点的创新成果。走进魏兵的研究,你会发现这是一个充满神奇魅力的奇妙世界——

偏微分方程的求解在物理学中很重要,但是采用传统解析的方法常常只能解决一些较简单的问题,实际工作中的复杂情况往往难以应对。随着计算机技术的发展,2000年左右,对电磁场数值求解方案的探求迅速发展。魏兵也就是从这时候开始,在导师葛德彪教授的指引下,把Maxwell方程的数值求解作为自己的主攻方向。

但是,Maxwell方程的数值求解是一个相当有挑战的课题。“Maxwell方程是三维矢量方程,考虑到电磁场随时间的变化瞬态求解时,就变成了四维方程,因而在时域求解方程难度很大。”魏兵明白,电磁场方程数值求解不仅需要好的物理基础,还对计算机编程有很高要求,在探求新算法的过程中,他迎来了更大的挑战。

电磁场的数值方法主要分为时域法和频域法两种,频域方法比较适于处理单方向入射、多方向接收时的单频问题,而时域方法更适于处理单方向入射、单方向接收时的宽带电磁问题。另外,时域方法在处理时变介质和增益介质电磁问题时,更具优势。魏兵先期研究主要集中在色散介质的时域有限差分算法,但是原有的时域算法针对不同色散模型(例如:德拜模型、德鲁模型、洛伦兹模型等)必须分别进行处理,算法和程序的通用性差,难以满足多种色散介质模型同时存在时电磁问题分析的需要。

为用一种算法同时解决多种模型并存时的电磁问题,魏兵在色散介质的通用时域计算方法领域展开了研究。电磁学中的色散现象是指物质的介质参数随频率而变化的特性。研究航空、探地雷达、高功率微波、生物电磁学、生物光学、纳米光学等都需要用到色散介质计算方法。

2003年,魏兵的博士生导师葛德彪教授提出了移位算子时域有限差分方法,并应用于非磁化等离子体电磁特性的分析。这一方法概念简明易于理解,数学过程相对简单,内存需求量小,计算精度高。魏兵刻苦学习这一方法,并在2004年留校任教后,继续沿着导师的方向,经过无数次深入思考和不懈探索,将移位算子时域有限差分方法加以完善,以解决多样态的复杂问题。经过发展的移位算子时域有限差分方法首先推广应用于各向同性色散介质的模型,如德拜模型、洛仑兹模型和德鲁模型的统一处理。此后,又将该算法拓展应用于磁化铁氧体和磁化等离子体等色散兼各向异性介质电磁特性的分析,使移位算子方法成为处理色散介质电磁问题的通用计算方法。

至此,移位算子时域有限差分方法成为了色散介质算法中的“通用王”。挖矿数值,普及算法,魏兵及其团队走出了西安电子科技大学西大楼的“一小步”,却是电磁学领域的“一大步”。

对地观测技术中,天基雷达的出现是一大跨越。它以航天器为工作平台,隐蔽在太空中,俯瞰所有目标,具有功能多、分辨率高、波束捷变能力强等特点,弥补了空基雷达航程短、受地形变化及植被覆盖影响大、飞行范围受领空限制和容易受到攻击等不足,是人类向半空间进军的一大成果。

有矛就会有盾。导弹是天基雷达的天敌,它的探测和攻击往往采取低空甚至超低空的飞行方式,飞行高度能达到距离地面、海面数十米。这导致目标所处环境的复合散射很强,其散射特性与自由空间情形有较大变化,严重影响雷达对低空目标的探测能力,同时也会对防空导弹的制导精度产生明显影响。

矛盾,总是在前进与发展中得到解决。魏兵和他的研究伙伴们,成为解决矛盾的那一群人。

随着技术的发展,半空间上方目标电磁散射的快速、精确计算成为目标探测等领域需要迫切解决的问题之一。其难点主要是,半空间和分层半空间散射问题的计算涉及复杂的索末菲尔德积分,实际处理时需要大量的计算时间。目前,半空间相关的数值算法普遍存在算不大、算不准和计算效率低等缺陷。

针对半空间上方目标电磁算法的问题,考虑到天基雷达、天波超视距雷达等具体观测情形,为满足半空间上方电大目标电磁散射特性精细分析的需要,团队在时域以时域有限差分方法为例展开相关问题研究,主要从三个方面入手提高半空间问题的计算效率,一是时域有限差分方法的计算域仅包含目标或粗糙面本身,不包含两者之间的自由空间,以此缩小计算域进而提高计算效率;二是在天基雷达和天波雷达的情形,观察方向往往远离分界面,此时目标上的照射波仅考虑直接入射和半空间反射波即可。可以通过数值计算和解析分析相结合的方法简化目标上照射波的引入,并避免远场外推时复杂的半空间函数计算。同时突破在平面分层半空间多于四层时目前文献中未见函数的计算困境。三是结合目前我国超级计算机的发展,采用混合并行架构实现了半空间上方目标及背景复合电磁散射的时域有限差分方法分析,将时域数值算法应用于实际粗糙半空间目标电磁散射问题的分析。快速计算,精准捕获,魏兵及其团队,解决了现代人追求的速度和精准问题,被称为半空间与其上方的“速算神”。

无论是致力于方程数值求解,还是推动快速计算在半空间的应用,都只是魏兵及其团队多年创新研究的一个侧面。怀着对电磁理论、时域计算电磁学研究探索的满腔热情,魏兵团队以创新为剑,开创了领域里一个又一个佳话:

电磁理论方面,他们在分层半空间(包括各向异性分层)上方任意取向偶极子远区辐射场的快速计算方面利用互易定理创新性地给出了解析表达式,在保证计算精度的前提下使得计算效率大大提升,相关成果应用于分层半空间情形电波辐射和电波传播的相关分析中;在尘埃等离子体充电、放电等效应方面,他们给出等效介电参数表达式并采用解析方法研究了尘埃等离子体中的电波传播特性。2011年,团队把这些过程方法毫无保留地写入了《电磁波理论》一书当中,这本由科学出版社出版的专著也成为众多高校的指定教材,并成为相关领域广为借鉴的佳作。

2012年,他们又把复杂介质电磁场时域数值算法的精髓公之于众,发表在《物理学报》上的论文《弱电离尘埃等离子体层反射和透射的SO-FDTD方法分析》被评选为“中国物理学会2016年度最有影响论文”。

魏兵团队在DGTD方法共形吸收边界、基于高阶叠层型基函数的DGTD方法、磁化等离子体的波传播数值计算、无条件稳定时域有限元算法、无条件稳定FDTD算法等方面的创新性工作先后发表于IEEE Trans. A. P.、IEEE AWPL和Waves in Random and Complex Media等国际知名杂志。随后魏兵和团队继续乘胜而进,2014年到2019年,他们相继出版了《电磁波时域计算方法(上册)——时域有限差分法和时域积分方程法》《电磁波时域计算方法(下册)——时域有限元法》《电磁波时域非连续伽辽金法》等著作,这些著述包含了他们的绝大部分研究成果。这些研究也大大提升了数值算法在复杂介质电磁计算方面的能力和适应性。目前,相关科研成果已广泛应用于航天科工、中航、中电等集团的航天院等20多个科研院所。

值得一提的是,魏兵带领其电磁计算及其应用团队将电磁算法的改进和计算机的发展相结合,采用超大规模精细计算解决电磁计算中遇到的难题,取得了良好的效果。课题组2001年就发表了国内第一篇FDTD方法并行计算的论文。他们2004年实现了各向异性介质的并行计算,2009实现了分层半空间问题的FDTD计算,2014年实现了时域弹跳射线法的大规模计算。近年来,他们还实现了基于叠层型基函数的DGTD算法超大规模计算。难能可贵的是,这些并行计算几乎都属于国内率先突破。此类采用超级计算机并行计算的方式大大降低了试验成本,提高了设计效率,为保障国防安全做出了有益探索。

锐意进取、敢于创新结出了硕果,近年来,魏兵及其团队承担了原国防“973”项目专题、国家自然科学基金、国防预研基金及教学改革等项目30余项。共发表论文200余篇,其中SCI检索60余篇,EI检索80余篇。他们多次获得国家、省部级科技奖励,包括高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖二等奖,国家级教学成果奖二等奖,陕西教学成果奖特等奖、陕西科技成果奖二等奖,陕西高校科技成果奖三等奖,等等。

青山远黛,涛声阵阵,晨曦的微光中天空绽放出别样的淡蓝。魏兵和他的学生们挽起裤腿,追寻着大禹治水的传说逐浪前行,这是他们在课题告一段落后的周末小憩。黄河激浪,是快乐放松,也是再次扬帆。

树木葱茏,小溪潺潺,明媚的阳光给林间小道印上斑驳的光影。魏兵和他的学生们背着双肩包,行进在人迹罕至的崎岖山路上,曲径通幽间他们探索秦岭深处的艰险与美景。攀上山巅,手可擎天,向上是每个人的目标。

逸夫图书馆前,“为国工作五十年,幸福生活一辈子”的标语异常醒目。穿着短袖、短裤的魏兵,正在突破重围,运球过人,动作之娴熟,速度之迅捷,成为篮球场虎虎生威的猛将,而同在赛场拼搏的都是他的学生。

这些场景,都是魏兵带领下的西安电子科技大学电磁学团队的日常。十寨听泉、草甸吟风、古道踏青、巅峰留影……他们的故事总让学生津津乐道,幸福而骄傲。他们,是追电逐波的“梦之队”。

说起与魏兵老师的相处,不论是博士生、硕士生还是本科生,都有一串又一串的美好回忆。

他们说魏老师是陪伴导师。偌大的实验室里,第一个到岗的常常是他,他每天背着小帆布包,在晨曦中快步跨入西大楼,又往往在月夜中才走出西大楼。计算电磁学实验室里的一个角落,就是魏兵的办公桌。桌子上是高速运转的电脑和常看常新的一摞摞电磁学书籍。来找他讨论问题的学生络绎不绝。

“同事如兄弟,学生如子女”“解衣衣之,推食食之,既授人以渔,也授人以鱼”,是魏兵团队崇尚的师风师德;“厚德垂范,缜密穷究,博学敦行,创新担当”是计算电磁学及其应用团队遵循的担当使命。2019年,魏兵所带领的团队被评为西安电子科技大学“师德师风好、师生关系好、培养模式好,有先进文化、有出色管理、有突出业绩”的“三好三有”团队。魏兵则荣膺西安电子科技大学师德先进个人。

荣誉与成绩不是凭空得来的。“培养电波传播高层次创新人才”的理念和实践,在西安电子科技大学已近40载。从20世纪80年代起,西安电子科技大学就系统开展了电波传播“本—硕—博”人才培养工作的研究与实践。一路走来,不忘初心、砥砺前行。学校凝练确立了“面向电波传播工程与国防科技应用,厚基础、强实践、宽视野、重个性”的创新人才培养理念,建立了分层次、多模式、全覆盖的电波传播创新人才培养方法,构建了目标明确、特色鲜明、有机融接的创新人才培养体系,打造了国内领先水平的电波传播高层次创新人才培养基地。这里已经走出了多名院士,走出了“嫦娥一号”总师,“天问一号”总师,走出了全国教书育人楷模,走出了一个个西电人的骄傲……

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,魏兵正是不断追寻科研报国梦的济济西电人中的一分子,甚至他的导师——83岁高龄的葛德彪教授也依然活跃在团队中,成为领航的灯塔。相信在这片沃土中,有传承,有希望,有创新,更有未来。

魏兵,西安电子科技大学教授,无线电物理专业博士生导师,电子与通信工程专业硕士导师,西安电子科技大学信息感知协同创新中心目标与环境特性研究部副部长,陕西省超大规模电磁计算重点实验室副主任,中国物理学会计算物理学分会计算电磁学学组理事,中国宇航学会电推进专业委员会委员,中国电子学会高级会员,陕西物理学会理事,陕西计算物理学会理事,《计算物理》第七届编委,《中国舰船研究》第四届编委。近年来,魏兵及其团队承担了原国防“973”项目专题、国家自然科学基金、国防预研基金及教学改革等项目30余项。共发表论文200余篇,其中SCI检索60余篇、EI检索80余篇。出版《电磁波理论》《电磁场时域不连续伽辽金方法》《电磁波时域计算方法》(上、下册)专著3部。多次获得国家、省部级科技奖励,包括高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖二等奖、国家级教学成果奖二等奖、陕西教学成果奖特等奖、陕西科技成果奖二等奖和陕西高校科技成果奖三等奖等。

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