魏兵：追電逐波的筑夢者

劉 銳

1993年，他在北京師范大學物理系固體及粒子束物理專業完成了人生第一個階段的升華，之后扎根祖國大西北教書育人，桃李滿天下。

1999年，他選擇到賡續紅色基因的西安電子科技大學攻讀無線電物理專業博士學位，此后投身電磁計算及其應用方面研究，逐漸成長為電磁航道逐波者。

他是魏兵，西安電子科技大學教授，無線電物理專業博士生導師，時域電磁計算領域研究的領航人。

西安電子科技大學西大樓，一座以“物理改變世界，光電引領未來”為理想的著名教學樓，是電磁學領域的圣地，老一輩電磁學家匯聚于此，以“物理為基，光電為導”，薪火相傳。成長在此沃野之中的魏兵，繼承前輩優良傳統的同時致力創新，帶領團隊在電磁理論、計算電磁學、目標時域響應仿真、時域綜合測量及其應用等領域追電逐波，建設了一支我國時域電磁計算應用領域別具特色的生力軍。

魏兵

學高為師，身正為范——行走在物理教育路上的“師者心”

甘肅天水，以“天河注水”盛名于世，傳說中是伏羲氏的出生地。這里曾經山原廣闊，水草豐茂，植被茂盛，被譽為“隴南林海”“林泉之冠”。這里農牧業交錯，人們善騎射，習武功，是作戰補充兵源的雄厚基地。

記者與魏兵的對話，就開始于這個諸葛亮“六出祁山”的地方。

魏兵的家鄉，在甘肅天水。小時候，他無憂無慮地學習、成長。由于父母是教師，他在校園里度過了自己的童年，養成了喜歡思考的習慣。高考填志愿時，他依照父母的意志，選擇了師范類院校；又按照自己的興趣，選擇了物理學專業，又很榮幸地成為北京師范大學物理系固體及粒子束物理專業莘莘學子中的一員。從此，學高為師、身正為范，魏兵矢志在教師這一崗位上深深扎根。

大學里的時光總是快樂的。課堂上，有魏兵活躍的身影。他總是好奇物理學與周圍生活之間的關聯，有問不完的問題。下課后，運動場上，他是帥氣的籃球運投手，還是1500米跑道上不停向前的長跑健將。圖書館里，魏兵的世界不僅是屬于物理的，還有汪國真的詩，李澤厚的美學，以及名家畫作的陪伴……

畢業時，魏兵毫不猶豫地選擇回到養育自己的家鄉——甘肅天水師范學院物理系，成為一名教師。在他心里，教師是神圣的職業。這既源于父母的言傳身教，更源于自己的理想信念。因為他知道科技才能強國，物理改變世界，他希望能在這里，培養出眾多優秀的中學物理教師，讓自己對物理的摯愛播撒在孩子心間，用物理開啟他們的未來。那時候，他不僅是任課教師，主講物理學課程；他還是班主任，帶著同學們去實習。“我們下去實習的時候，帶著床，帶著‘大師傅’，帶著鍋灶，那個陣仗，不亞于出兵打仗。”現在回憶起來，魏兵依然記憶猶新，“我不光要帶好實習教學工作，還要帶著同學們去采買糧油蔬菜、日用品，給同學們印制飯票，和同學們相處甚歡。”

魏兵非常感激那段青春歲月。正是在那段艱苦時光里，他更多地接觸了社會，鍛煉了自己。魏兵說：“基層的鍛煉，讓我終生受益，讓我知道了基層是什么樣的，也深深懂得了做事情的不易。最重要的是，我學會了隱忍、堅持和努力。”他還感謝與學生一同成長的經歷，“大學時學的好多課程內容，當時理解得不是很到位。但到師范學院教書后，因為講課首先要自己理解透，才能給同學們講，這就使我必須查缺補漏。這個過程，也讓我對物理學知識有了更深入的了解和更濃厚的興趣。”

懷抱研究一門理論和實踐緊密結合學科的夢想，魏兵的下一站，選擇了西安電子科技大學無線電物理專業。“因為這一專業最早的老師來自武漢大學，他們在電波傳播方面擁有豐富的經驗和雄厚的技術實力。”慕名而來的魏兵1999年到此攻讀碩士研究生，師從國內知名電磁學者葛德彪教授，2000年，轉為攻讀博士學位。并從此在光電時域計算電磁學領域深耕不輟。

從小耳濡目染立下為師志向，到一直置身于茵茵校園為學、為師，魏兵對教書育人這份光輝事業一直持有崇高的敬意和熱情。無論為學，還是為師，他捧出的是一顆滾燙的“師者仁心”，也正是這顆仁心，成就了他和團隊在科研、人才培養等諸多領域的突出貢獻。

挖礦數值，普及算法——移位算子成為電磁場域“通用王”

從1999年進入西安電子科技大學開啟科學研究的征程，到博士畢業后留校至今，投身電磁理論、時域計算電磁學及其應用方面研究二十余載，魏兵及其團隊在電磁理論、復雜介質電磁場時域數值算法、電磁算法的改進和計算機的發展結合等方面有諸多可圈可點的創新成果。走進魏兵的研究，你會發現這是一個充滿神奇魅力的奇妙世界——

偏微分方程的求解在物理學中很重要，但是采用傳統解析的方法常常只能解決一些較簡單的問題，實際工作中的復雜情況往往難以應對。隨著計算機技術的發展，2000年左右，對電磁場數值求解方案的探求迅速發展。魏兵也就是從這時候開始，在導師葛德彪教授的指引下，把Maxwell方程的數值求解作為自己的主攻方向。

但是，Maxwell方程的數值求解是一個相當有挑戰的課題。“Maxwell方程是三維矢量方程，考慮到電磁場隨時間的變化瞬態求解時，就變成了四維方程，因而在時域求解方程難度很大。”魏兵明白，電磁場方程數值求解不僅需要好的物理基礎，還對計算機編程有很高要求，在探求新算法的過程中，他迎來了更大的挑戰。

電磁場的數值方法主要分為時域法和頻域法兩種，頻域方法比較適于處理單方向入射、多方向接收時的單頻問題，而時域方法更適于處理單方向入射、單方向接收時的寬帶電磁問題。另外，時域方法在處理時變介質和增益介質電磁問題時，更具優勢。魏兵先期研究主要集中在色散介質的時域有限差分算法，但是原有的時域算法針對不同色散模型（例如：德拜模型、德魯模型、洛倫茲模型等）必須分別進行處理，算法和程序的通用性差，難以滿足多種色散介質模型同時存在時電磁問題分析的需要。

為用一種算法同時解決多種模型并存時的電磁問題，魏兵在色散介質的通用時域計算方法領域展開了研究。電磁學中的色散現象是指物質的介質參數隨頻率而變化的特性。研究航空、探地雷達、高功率微波、生物電磁學、生物光學、納米光學等都需要用到色散介質計算方法。

2003年，魏兵的博士生導師葛德彪教授提出了移位算子時域有限差分方法，并應用于非磁化等離子體電磁特性的分析。這一方法概念簡明易于理解，數學過程相對簡單，內存需求量小，計算精度高。魏兵刻苦學習這一方法，并在2004年留校任教后，繼續沿著導師的方向，經過無數次深入思考和不懈探索，將移位算子時域有限差分方法加以完善，以解決多樣態的復雜問題。經過發展的移位算子時域有限差分方法首先推廣應用于各向同性色散介質的模型，如德拜模型、洛侖茲模型和德魯模型的統一處理。此后，又將該算法拓展應用于磁化鐵氧體和磁化等離子體等色散兼各向異性介質電磁特性的分析，使移位算子方法成為處理色散介質電磁問題的通用計算方法。

至此，移位算子時域有限差分方法成為了色散介質算法中的“通用王”。挖礦數值，普及算法，魏兵及其團隊走出了西安電子科技大學西大樓的“一小步”，卻是電磁學領域的“一大步”。

快速計算，精準捕獲——半空間與其上方的“速算神”

對地觀測技術中，天基雷達的出現是一大跨越。它以航天器為工作平臺，隱蔽在太空中，俯瞰所有目標，具有功能多、分辨率高、波束捷變能力強等特點，彌補了空基雷達航程短、受地形變化及植被覆蓋影響大、飛行范圍受領空限制和容易受到攻擊等不足，是人類向半空間進軍的一大成果。

有矛就會有盾。導彈是天基雷達的天敵，它的探測和攻擊往往采取低空甚至超低空的飛行方式，飛行高度能達到距離地面、海面數十米。這導致目標所處環境的復合散射很強，其散射特性與自由空間情形有較大變化，嚴重影響雷達對低空目標的探測能力，同時也會對防空導彈的制導精度產生明顯影響。

矛盾，總是在前進與發展中得到解決。魏兵和他的研究伙伴們，成為解決矛盾的那一群人。

隨著技術的發展，半空間上方目標電磁散射的快速、精確計算成為目標探測等領域需要迫切解決的問題之一。其難點主要是，半空間和分層半空間散射問題的計算涉及復雜的索末菲爾德積分，實際處理時需要大量的計算時間。目前，半空間相關的數值算法普遍存在算不大、算不準和計算效率低等缺陷。

針對半空間上方目標電磁算法的問題，考慮到天基雷達、天波超視距雷達等具體觀測情形，為滿足半空間上方電大目標電磁散射特性精細分析的需要，團隊在時域以時域有限差分方法為例展開相關問題研究，主要從三個方面入手提高半空間問題的計算效率，一是時域有限差分方法的計算域僅包含目標或粗糙面本身，不包含兩者之間的自由空間，以此縮小計算域進而提高計算效率；二是在天基雷達和天波雷達的情形，觀察方向往往遠離分界面，此時目標上的照射波僅考慮直接入射和半空間反射波即可。可以通過數值計算和解析分析相結合的方法簡化目標上照射波的引入，并避免遠場外推時復雜的半空間函數計算。同時突破在平面分層半空間多于四層時目前文獻中未見函數的計算困境。三是結合目前我國超級計算機的發展，采用混合并行架構實現了半空間上方目標及背景復合電磁散射的時域有限差分方法分析，將時域數值算法應用于實際粗糙半空間目標電磁散射問題的分析。快速計算，精準捕獲，魏兵及其團隊，解決了現代人追求的速度和精準問題，被稱為半空間與其上方的“速算神”。

魏兵團隊合影

上下求索 成果豐碩——時域電磁計算應用的“追夢人”

無論是致力于方程數值求解，還是推動快速計算在半空間的應用，都只是魏兵及其團隊多年創新研究的一個側面。懷著對電磁理論、時域計算電磁學研究探索的滿腔熱情，魏兵團隊以創新為劍，開創了領域里一個又一個佳話：

電磁理論方面，他們在分層半空間（包括各向異性分層）上方任意取向偶極子遠區輻射場的快速計算方面利用互易定理創新性地給出了解析表達式，在保證計算精度的前提下使得計算效率大大提升，相關成果應用于分層半空間情形電波輻射和電波傳播的相關分析中；在塵埃等離子體充電、放電等效應方面，他們給出等效介電參數表達式并采用解析方法研究了塵埃等離子體中的電波傳播特性。2011年，團隊把這些過程方法毫無保留地寫入了《電磁波理論》一書當中，這本由科學出版社出版的專著也成為眾多高校的指定教材，并成為相關領域廣為借鑒的佳作。

2012年，他們又把復雜介質電磁場時域數值算法的精髓公之于眾，發表在《物理學報》上的論文《弱電離塵埃等離子體層反射和透射的SO-FDTD方法分析》被評選為“中國物理學會2016年度最有影響論文”。

魏兵團隊在DGTD方法共形吸收邊界、基于高階疊層型基函數的DGTD方法、磁化等離子體的波傳播數值計算、無條件穩定時域有限元算法、無條件穩定FDTD算法等方面的創新性工作先后發表于IEEE Trans. A. P.、IEEE A W P L和Waves in Random and Complex Media等國際知名雜志。隨后魏兵和團隊繼續乘勝而進，2014年到2019年，他們相繼出版了《電磁波時域計算方法（上冊）——時域有限差分法和時域積分方程法》《電磁波時域計算方法（下冊）——時域有限元法》《電磁波時域非連續伽遼金法》等著作，這些著述包含了他們的絕大部分研究成果。這些研究也大大提升了數值算法在復雜介質電磁計算方面的能力和適應性。目前，相關科研成果已廣泛應用于航天科工、中航、中電等集團的航天院等20多個科研院所。

值得一提的是，魏兵帶領其電磁計算及其應用團隊將電磁算法的改進和計算機的發展相結合，采用超大規模精細計算解決電磁計算中遇到的難題，取得了良好的效果。課題組2001年就發表了國內第一篇FDTD方法并行計算的論文。他們2004年實現了各向異性介質的并行計算，2009實現了分層半空間問題的FDTD計算，2014年實現了時域彈跳射線法的大規模計算。近年來，他們還實現了基于疊層型基函數的DGTD算法超大規模計算。難能可貴的是，這些并行計算幾乎都屬于國內率先突破。此類采用超級計算機并行計算的方式大大降低了試驗成本，提高了設計效率，為保障國防安全做出了有益探索。

銳意進取、敢于創新結出了碩果，近年來，魏兵及其團隊承擔了原國防“973”項目專題、國家自然科學基金、國防預研基金及教學改革等項目30余項。共發表論文200余篇，其中SCI檢索60余篇，EI檢索80余篇。他們多次獲得國家、省部級科技獎勵，包括高等學校科學研究優秀成果獎科學技術進步獎二等獎，國家級教學成果獎二等獎，陜西教學成果獎特等獎、陜西科技成果獎二等獎，陜西高校科技成果獎三等獎，等等。

率先垂范，為師如父——西電計算電磁應用的“夢之隊”

青山遠黛，濤聲陣陣，晨曦的微光中天空綻放出別樣的淡藍。魏兵和他的學生們挽起褲腿，追尋著大禹治水的傳說逐浪前行，這是他們在課題告一段落后的周末小憩。黃河激浪，是快樂放松，也是再次揚帆。

樹木蔥蘢，小溪潺潺，明媚的陽光給林間小道印上斑駁的光影。魏兵和他的學生們背著雙肩包，行進在人跡罕至的崎嶇山路上，曲徑通幽間他們探索秦嶺深處的艱險與美景。攀上山巔，手可擎天，向上是每個人的目標。

逸夫圖書館前，“為國工作五十年，幸福生活一輩子”的標語異常醒目。穿著短袖、短褲的魏兵，正在突破重圍，運球過人，動作之嫻熟，速度之迅捷，成為籃球場虎虎生威的猛將，而同在賽場拼搏的都是他的學生。

…………

這些場景，都是魏兵帶領下的西安電子科技大學電磁學團隊的日常。十寨聽泉、草甸吟風、古道踏青、巔峰留影……他們的故事總讓學生津津樂道，幸福而驕傲。他們，是追電逐波的“夢之隊”。

說起與魏兵老師的相處，不論是博士生、碩士生還是本科生，都有一串又一串的美好回憶。

他們說魏老師是陪伴導師。偌大的實驗室里，第一個到崗的常常是他，他每天背著小帆布包，在晨曦中快步跨入西大樓，又往往在月夜中才走出西大樓。計算電磁學實驗室里的一個角落，就是魏兵的辦公桌。桌子上是高速運轉的電腦和常看常新的一摞摞電磁學書籍。來找他討論問題的學生絡繹不絕。

“同事如兄弟，學生如子女”“解衣衣之，推食食之，既授人以漁，也授人以魚”，是魏兵團隊崇尚的師風師德；“厚德垂范，縝密窮究，博學敦行，創新擔當”是計算電磁學及其應用團隊遵循的擔當使命。2019年，魏兵所帶領的團隊被評為西安電子科技大學“師德師風好、師生關系好、培養模式好，有先進文化、有出色管理、有突出業績”的“三好三有”團隊。魏兵則榮膺西安電子科技大學師德先進個人。

榮譽與成績不是憑空得來的。“培養電波傳播高層次創新人才”的理念和實踐，在西安電子科技大學已近40載。從20世紀80年代起，西安電子科技大學就系統開展了電波傳播“本—碩—博”人才培養工作的研究與實踐。一路走來，不忘初心、砥礪前行。學校凝練確立了“面向電波傳播工程與國防科技應用，厚基礎、強實踐、寬視野、重個性”的創新人才培養理念，建立了分層次、多模式、全覆蓋的電波傳播創新人才培養方法，構建了目標明確、特色鮮明、有機融接的創新人才培養體系，打造了國內領先水平的電波傳播高層次創新人才培養基地。這里已經走出了多名院士，走出了“嫦娥一號”總師，“天問一號”總師，走出了多位長江學者，走出了全國教書育人楷模，走出了一個個西電人的驕傲……

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，魏兵正是不斷追尋科研報國夢的濟濟西電人中的一分子，甚至他的導師——83歲高齡的葛德彪教授也依然活躍在團隊中，成為領航的燈塔。相信在這片沃土中，有傳承，有希望，有創新，更有未來。