電子信息工程專業(yè)本科生實(shí)習(xí)平臺實(shí)踐教學(xué)

許海倫 徐華平 孫兵

摘 要：在電子信息工程專業(yè)教學(xué)模式探索的基礎(chǔ)上，為了能夠?qū)㈦娮有畔⒐こ虒I(yè)課程的核心知識串聯(lián)起來，讓學(xué)生在實(shí)踐中加深對基本概念的理解與掌握，專門開發(fā)了一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺。平臺上以SAR數(shù)據(jù)處理為依托，由SAR仿真成像處理和圖像處理兩大模塊組成，集成了信號與系統(tǒng)、離散時間序列處理、數(shù)字圖像處理等課程的核心概念。此外，該平臺有很好的實(shí)用性和交互性，能夠有效地加強(qiáng)學(xué)生對電子信息工程專業(yè)的整體認(rèn)識，同時進(jìn)一步完善教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：電子信息 生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺 信號仿真 圖像處理

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0161-05

Abstract：On the basis of the exploration of the teaching model for Electronic Information Engineering， the practice platform was integrated in order to establish the core knowledge system of Electronic Information Engineering， through which students can have a deep understanding of the abstract basic concept. Relying on the data processing of synthetic aperture radar， the platform consists of SAR simulation imaging processing and image processing. The core knowledge of signal and system， discrete signal processing and digital image processing was included in the software. In the meantime， the platform has a good practicality and interaction. The overall cognition of this major will be set up and teaching system will be improved.

Key Words：Electronic information；Practice platform；Signal simulation；Image processing

隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)成為了當(dāng)今教育改革的主題。目前，基于matlab新型界面開發(fā)工具強(qiáng)大的運(yùn)算功能以及簡單的界面設(shè)計[1]、針對線性代數(shù)、數(shù)字圖像處理等專業(yè)課程，已經(jīng)有專門的matlab教學(xué)軟件輔助教學(xué)，并且取得了很好的教學(xué)效果[2-3]。不足的是，這些教學(xué)軟件一般都是針對某一門特定的課程。為了改善已有教學(xué)軟件的局限性，筆者將電子信息專業(yè)中諸如信號與系統(tǒng)、離散時間信號處理、數(shù)字圖像處理和隨機(jī)過程等核心專業(yè)課程綜合起來，專門研發(fā)出了一款適用于電子信息工程專業(yè)的一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺，幫助學(xué)生將電子信息工程專業(yè)知識串聯(lián)起來，加深學(xué)生對核心概念的理解以及對整體知識框架的掌握。

1 電子信息工程和一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺

電子信息工程專業(yè)課程的相關(guān)概念十分抽象，并且實(shí)用性很強(qiáng)，學(xué)生對很多課程都很難有直觀的把握，這就需要相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)來深化理解。但是目前課程設(shè)計實(shí)踐內(nèi)容滯后，往往不能達(dá)到良好的教學(xué)效果[4]。與此同時，電子信息工程的諸多專業(yè)課程又是一脈相承的，只有同時掌握多門核心課程才能夠?qū)﹄娮有畔⒐こ虒I(yè)知識體系融會貫通，故而專門設(shè)計了適用于電子信息工程專業(yè)學(xué)生的一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺。在平臺上，學(xué)生既可以加深對信號、系統(tǒng)、濾波等基礎(chǔ)概念的理解，更可以親自動手對信號與圖像進(jìn)行多種處理。如此，學(xué)生在掌握核心知識的同時也增加了學(xué)習(xí)樂趣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺總體介紹

學(xué)生實(shí)習(xí)平臺包括兩個模塊：仿真成像和圖像處理。其主界面如圖2所示。兩部分均以合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理為依托，將科研項目的研究成果融入生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺之中，將實(shí)際的工程項目與課程中的理論知識結(jié)合起來。仿真成像模塊又包含SAR回波信號仿真與成像處理兩部分，圖像處理包括點(diǎn)目標(biāo)檢測、面目標(biāo)檢測和邊緣檢測三部分。生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺設(shè)計框圖如圖3所示。

如圖3所示，仿真成像界面提供了人機(jī)交互的平臺，該平臺模擬了條帶式照射模式下機(jī)載SAR回波信號。通過人機(jī)交互界面，調(diào)整不同平臺、雷達(dá)參數(shù)以及地面場景等的設(shè)置，完成SAR回波仿真。成像處理是利用實(shí)驗平臺中集成的成像處理算法軟件，讓學(xué)生通過設(shè)置不同的距離向參考函數(shù)和方位向參考函數(shù)參數(shù)，進(jìn)行匹配濾波成像處理。利用成像處理得到的不同的結(jié)果體會和分析輸入?yún)?shù)的精確性對聚焦效果的影響。在仿真成像過程之中，會涉及信號與系統(tǒng)的相關(guān)概念，并且通過對信號的時、頻域分析驗證所生成信號的正確性，這對學(xué)生掌握《信號與系統(tǒng)》課程中的傅立葉變換、信號時頻分析以及《離散時間信號處理》課程中的離散傅立葉變換、FFT、FIR濾波器、IIR濾波器等基礎(chǔ)概念很有幫助。學(xué)生可以通過實(shí)習(xí)平臺參與實(shí)踐，鞏固其專業(yè)知識體系。

圖像處理模塊包括三部分：點(diǎn)目標(biāo)檢測、邊緣檢測和面目標(biāo)檢測。

點(diǎn)目標(biāo)檢測用來檢測圖像中的小目標(biāo)、點(diǎn)目標(biāo)，采用恒虛警目標(biāo)檢測方法，需要設(shè)定的參數(shù)包括虛警率、背景窗口尺寸、保護(hù)窗口尺寸。其設(shè)置界面如圖4所示。

邊緣檢測用來檢測圖像中的邊緣，采用ROA（ratio of average）檢測方法，需要設(shè)定的參數(shù)包括虛警率、檢測窗口尺寸。初始值為程序設(shè)定的默認(rèn)參數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際圖像進(jìn)行更改。虛警率變大，則檢測到的邊緣數(shù)目變多，但是虛警也越多。檢測窗口尺寸變大，則檢測到的邊緣變粗，細(xì)的邊緣會被平滑掉。邊緣檢測設(shè)置界面如圖5所示。

面目標(biāo)檢測用來檢測圖像中的大目標(biāo)，將圖像分為兩類，采用基于馬爾可夫隨機(jī)場（MRF）的方法，需要設(shè)定的參數(shù)包括兩類各自的均值和方差。面目標(biāo)檢測設(shè)置界面如圖6所示。

以上3個部分是圖像分割的基礎(chǔ)內(nèi)容，而圖像分割實(shí)際上是數(shù)字圖像處理的綜合應(yīng)用。利用平臺進(jìn)行圖像分割，不僅能夠幫助學(xué)生理解《數(shù)字圖像處理》課程的基本概念，同時還能夠幫助學(xué)生應(yīng)用《隨機(jī)過程理論》課程所學(xué)的基本知識解決實(shí)際問題。點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)檢測利用了圖像的統(tǒng)計特性，而邊緣檢測則包含了圖像變換的相關(guān)內(nèi)容，諸如圖像傅立葉變換、小波變換等。通過利用此平臺進(jìn)行實(shí)踐以及對處理結(jié)果進(jìn)行分析和討論，理解遙感圖像的特性對圖像處理結(jié)果的影響，掌握隨機(jī)過程的平穩(wěn)和各態(tài)歷經(jīng)性假設(shè)對圖像處理的重要性，以及圖像處理方法很難做到對所有圖像的普適性。如此，學(xué)生便能夠在生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺時間的過程中熟練掌握《數(shù)字圖像處理》和《隨機(jī)過程理論》課程的核心內(nèi)容。

3 結(jié)語

筆者設(shè)計的一體化生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺體現(xiàn)了子信息工程專業(yè)的專業(yè)課程特點(diǎn)。該平臺綜合應(yīng)用了多門核心課程，學(xué)生利用此平臺能夠?qū)⒊橄蟮母拍钷D(zhuǎn)化為實(shí)際的圖像，激發(fā)學(xué)生的積極性與主動性。學(xué)生可以在實(shí)踐中靈活運(yùn)用所學(xué)知識，從而打下堅實(shí)的專業(yè)課基礎(chǔ)，這也是教學(xué)質(zhì)量提高的一個最主要的表現(xiàn)。如此一來，通過在電子信息工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺上練習(xí)與仿真，學(xué)生能夠?qū)W以致用，教學(xué)質(zhì)量也由此提高。

參考文獻(xiàn)

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[4] 徐華平.電子信息工程專業(yè)一體化實(shí)踐教學(xué)模式探索[J].中國科技信息，2011（11）：210.