|
在湍流应用研究中的知识创新
《创新话旧》第8章 (1)
温景嵩
南开大学 西南村 69楼 1门 401号
(
第八章 创新点(7)── 一个知识创新
8.1 为激光工程服务
8.1.1 知识创新与理论创新
本章所谈的创新点全名叫“我国大气湍流、大气闪烁及其对激光工程影响的研究”。这是一个知识创新,与前面几章所谈的理论创新不同。它是应我们在第七章中所谈的,1972年春天在安徽光机所
由于1972年春天在安徽光机所, 我们
8.1.2 现在轮到了我们
在接受
波在湍流介质中的传播理论,是湍流科学与无线电物理、天文学、激光物理、声学以及大气光学、大气声学等学科交叉的产物。早在塔塔尔斯基的理论之前,在20世纪的上半叶,就已有了这方面的研究,那是在无线电工程,光学工程,声学工程的带动下发展起来的。这是一门应用基础学科,有很强的应用价值。然而在塔塔尔斯基1959年工作之前,在这个领域中工作的专家对湍流研究并不熟悉,对在1941年创造出的柯尔莫果洛夫湍流理论更是无人知晓。因此大家对决定波动在湍流介质中传播特征的湍流微结构,也就做了很粗略的假设,它们是从一般概率论,随机过程论引进来的概念。因而不可能正确地反映出湍流微结构的规律,也就不可能得到正确的结果。只是到了塔塔尔斯基1959年的工作,才系统地把柯尔莫果洛夫的湍流理论,结构函数的2/3定律,以及一维湍谱的-5/3定律,三维湍谱的-11/3定律引入于本问题的研究。所得结果,自然就能正确地揭示出波动在湍流介质中传播的规律性。例如,塔塔尔斯基所得到的大气闪烁强度<c2>和传播距离L成11/6次方的增长关系;和折射率湍流强度Cn2成正比增长关系。在闪烁强度不太大时,已被实验证明正确。从此就确立了塔塔尔斯基理论在这一领域的权威地位。塔塔尔斯基的著作在1961年被翻译成英文在西方出版。现在已成为在这一领域中国际同行经常要引用的经典文献。前苏联学者的著作在西方 也能得到公认的并不多,前面第五章讲的富克斯的《气溶胶力学》是一本,这里塔塔尔斯基的书是又一本。
塔塔尔斯基用平缓扰动法求解麦克斯韦(Maxwell)的波动方程,从而得到了波动方程的统计解。所谓平缓扰动是指扰动量可以很大、很强,但扰动量在空间的分布变化却比较平缓,也就是说它的梯度很小。很明显这种方法意图解决比一般小扰动方法更为普遍的强扰动问题。但后来的实验证明当扰动强度比较大,例如闪烁强度<c2>增长达到0.6时,<c2>就不再继续按塔塔尔斯基的公式增长而达到了饱和。这是塔塔尔斯基平缓扰动理论失效的地方,叫做“闪烁饱和”。从理论上看,这是一个十分艰难复杂的问题,至少到我们工作的70年代还没有解决。但从应用上看这倒使问题变简单了。一旦我们碰到闪烁量<c2>达到0.6时,就使之停下来。放弃塔塔尔斯基的公式,使<c2>不再随传播距离L的增加而增加,也不再随湍流强度Cn2增加而增加,而是保持在饱和值0.6的水平即可。
此外塔塔尔斯基的书研究平面波球面波在穿过湍流大气时所受到的扰动影响,但激光工程使用的都是束状波,这要比平面波与球面波复杂得多。为使塔塔尔斯基的理论能应用倒60年代以后才发明的激光工程中去,1967年美国学者舒梅尔泽( Schmeltzer)与弗里德和1969年伊势马鲁(Ishmaru)先后都研究了束状波在湍流大气中的传播过程。他们的基本方法没有变,仍然使用了塔塔尔斯基的平缓扰动法,而舒梅尔泽与弗里德1967年的方法和伊势马鲁1969年的方法在细节上又有所不同。就中以伊势马鲁的为最好。我们就采用了他的结论。然而由于束状波并非绝对平行光束,它们还是有发散角,虽然很小。大量的理论计算又表明,当光束传播距离大于
为了巩固这次学习成果,鉴于塔塔尔斯基这本书已成为国际上在这一领域中影响深远的经典著作,我们就组织了力量一边学习,一边把这本书翻译成中文,参加翻译工作的还有宋正方、曾宗泳、顾慰渝。打倒“四人帮”后,我们把它交给科学出版社,于1978年出版。翻译按照1961年英文版进行,在翻译过程中还参照了它的1959年俄文原著。塔塔尔斯基在1967年时,对原书做了修正,出了第二版。我们当时限于条件,搞不到手。于是在我们1978年中文版的《译者的话》中除了介绍这本书的重要意义和它的国际影响以外,还讲到该书的缺点错误之处。特别是“闪烁饱和”一事,塔塔尔斯基对此曾在该书1959年第一版中有不恰当的解释 ,当时他没有认识到这是他的平缓扰动方法的局限性。对此我们在1978年中文版的《译者的话》中给予了更正,介绍了在1970-1975年间国际上三篇新的重要工作给读者。对于光学接收系统使用大口径接收来光滑、降低大气闪烁强度,我们也给出了新的理论分析和计算。总之,我们尽力使我国读者能够跟上时代前进的步伐,不但能了解到这一领域中的基本理论,也能了解到这一领域当时的最新动态。
没有想到我们70年代于安徽光机所做的这一小小的工作,后来在我国的相关领域中产生了有益影响。90年代,因一次偶然的机会,我有幸参加了北京大气物理所的一次会议,邻座一位部队来的朋友和我互通姓名后说,他早就知道我的名字,对我表示出相当大的热情。我因自1971年离开大气所后就和大气物理学界的人基本上没有来往,对这位朋友的举止不太理解。后来他讲起,他是因为学习过塔塔尔斯基的书而得知我的名字。我才恍然大悟,原来那本书居然在部队中也起了良好的作用。进入21世纪后不久,在天津理工大学工作的几位朋友,把他们在天体物理领域的一些工作送给我看。拜读之下,才发现他们的论文也引用了我们翻译的塔塔尔斯基的著作,而且经常引用。从70年代我们学习并翻译这本书开始,到现在已过去三十多年。想到这本书居然能经受了三十多年时间的考验,其影响能够及于现在,这不能不使人感到欣慰。
8.2 知识创新之一
这个新知识是指我国大气湍流强度在整层大气中分布的一个模型,它是
还余下一个更重要的问题,那就是如何根据常规气象要素平均场的探空观测数据,导出大气温度和折射率湍流场强度CT2和Cn2的分布规律。这问题也已由塔塔尔斯基所解决。
波动传播所要知道的是大气折射率湍流强度Cn2 ,直接观测它不可能。由于大气折射率起伏强度Cn2主要决定于温度湍流场的强度CT2,而CT2与Cn2的关系又是已知,所以一旦CT2已定,Cn2就能计算出来。与此相同,从常规气象要素场,也不能直接导出Cn2的计算公式,它同样只能导出CT2的计算公式。然后根据相同的关系可以计算出Cn2数值。而温度湍流强度CT2和常规气象要素场的关系公式,则仍然是塔塔尔斯基根据由大尺度平均温度梯度场在单位时间里所能产生出来的温度起伏不均匀量,在平衡时候,与在分子尺度上,由空气分子导温率单位时间里所平滑掉的温度不均匀量相等的原理导出。
然而在塔塔尔斯基导出的CT2和常规气象要素平均场梯度关系中仍有一个湍流场的未知量,即湍流交换系数K。对此,塔塔尔斯基使用了1958年马特维也夫(Matviev)对湍流交换系数K的观测结果。但马特维也夫1958年的观测仅仅由32次飞行观测做出,代表性不大,以后并未被普遍接受。1964年美国学者赫弗纳盖尔(Hufnagel)和斯坦利(Stanley)建议,把塔塔尔斯基关系式中的湍流交换系数K用另一个湍流场的特征量,即湍能耗散率e的资料代替,因而得到了一个新公式。而e的观测数据,他们则建议采用1961年博尔(Ball)的工作。该工作比较有代表性,比马特维也夫的K分布更可靠。1964年 被湍流领域中著名的美国学者兰姆利(Lumley)和帕诺夫斯基(Panofsky)收入他们合著的《大气湍流结构》一书。因而博尔的e分布,取代了马特维也夫的K分布而为波动传播领域的同行们所采用。我们也不例外,采用了赫弗纳盖尔和斯坦利新导出的CT2和常规气象要素平均场梯度的关系式,式中的e分布也就同样采取了博尔的1961年的数据。
然而,按照以上方案,由常规气象要素平均场的梯度计算出来的CT2分布,以及相应的Cn2分布偏大。赫弗纳盖尔于1966年,由实测出的大气闪烁量和按从常规气象要素场导出的Cn2分布计算出的大气闪烁比较后才发现此问题,幸而柯尔莫果洛夫湍流理论是用量纲分析法导出。前已指出用这种方法导出的结果其中的比例系数要由实验决定,不可能像低雷诺数流体力学以及气溶胶力学那样严格和精确。这本来是柯尔莫果洛夫理论的缺点,现在应用中却成了这理论的一个优点。一直以来人们使用的这一系数值是2.40,这是根据近地面观测实验中总结出来的。1966年赫弗纳盖尔就根据实测的大气闪烁数据反推出柯尔莫果洛夫理论中的经验系数修正值,这当然要比2.40小。不过2.40既然是近地面实测结果,并非理论确定的严格值。所以也就应该允许赫弗纳盖尔对此按照实测大气闪烁值来修正了。
赫弗纳盖尔1966年对柯尔莫果洛夫理论中的系数2.40的修正,当然不能拿来应用于我们中国的问题中来,因为那是根据美国的大气闪烁实测值进行的修正。幸而当时上海的佘山天文台对星光抖动角和天顶距q的关系有一批观测数据。在塔塔尔斯基理论体系中,除大气闪烁有理论公式外,他也得到了星光抖动和天顶距q的理论关系。使用这个关系也可以反过来推出柯尔莫果洛夫理论经验系数的修正值。在反推时,我们对近地面
这工作是在1972年我们接受了
最后还有一个重要问题,就是如何定义气象要素的平均场问题。我们的定义是取五年气象要素场的平均值,然后再用塔塔尔斯基公式计算湍流强度分布。我们的理由是,塔塔尔斯基关于平均场和湍流场的关系式之导出,其基础是平均场和湍流耗散场之间取得了平衡,而湍流耗散场反映的是分子导温率引起的耗散,是一个分子尺度上的特征。而探空气象资料反映的是大尺度,即
以上的工作,虽是在70年代“文革”结束之前即已完成,然而由于“文革”时期所有学术刊物都已停刊。所以这个上海地区整层大气湍流强度分布的计算数据,直到打倒“四人帮”,并且《气象学报》已恢复出版后,才在1980年发表在该学报的第38卷第2期上。作者有三人,除当时还在安徽光机所工作的顾慰渝和我以外,还有计算所的魏公毅,他承担了全部计算程序的设计与上机计算工作。
8.3 知识创新之二
这一方面的知识创新是要告诉工程界的朋友们,在上述上海整层大气湍流强度分布条件下,它对我国的远程激光雷达,和深空光通讯工程会产生什么样的影响。
大气湍流对激光大气工程的影响多种多样,与大气分子,大气气溶胶对激光大气工程的影响比较单一不同,在那里主要是通过大气分子,和大气气溶胶对激光光束能量的吸收和散射,使光束的能量衰减。而大气湍流的效应却是多方面的,对不同的激光大气工程有不同的影响。例如,对激光武器而言,它会使光束漂移和抖动,对聚焦光束还会起到湍流散焦的作用。对激光雷达而言,它会增加雷达追踪靶标时的丢靶概率。对激光大气通讯工程而言,它会增加通讯中的误码率,对于外差接收系统而言,它会降低系统外差接收效率。我们则要研究湍流对远程激光雷达和深空光通讯的影响,所谓远程,即作用距离达到
大气湍流对激光雷达和激光大气通讯的影响,主要通过它使光束的光强发生忽亮忽暗的闪烁而形成,叫大气闪烁。大气闪烁与大气分子,大气气溶胶引起的衰减不同,它并不会使光束总能量衰减。在大气湍流作用下,平均的光束能量并不会改变,但它会使光束能量做随机的再分布。有的地方有的时候能量大一些,有的地方,有的时候能量小一些。这种光束的大气闪烁就会使雷达的丢靶概率大为增加,使光通讯的误码率大为增加。原来没有湍流时,工程中的丢靶概率和误码率是系统内部的电子噪音造成。对此工程技术界已经发明出一整套的信号检测理论来对付它,使之能工作在最佳状态。电子噪音无法根除,所以不可能做到0丢靶概率和0误码率,只能做到在一定条件下,使丢靶概率和误码概率保持最小状态。这种信号检测理论,应用到有大气闪烁存在时的激光雷达和激光通讯工程时,就需要进行一些修正。把通讯工程和雷达工程中的信号检测理论引入激光工程中来的是,美国著名学者弗里德等人在1967年的工作。可以说弗里德等人是有大气闪烁存在时,激光大气工程中信号检测统计理论的创始人。他的理论后来又在70年代得到一些学者进一步发展和完善。我们的工作就是应用这些理论于我国的工程实际。首先以上一节得到的上海大气湍流强度的分布为基础,应用塔塔尔斯基等人的大气闪烁理论于上海的这个分布,于是就得到了远程激光束,在以不同的天顶距穿过上海的湍流大气层时,得到的闪烁强度<c2>随天顶距的分布。(天顶距即90度减仰角。天顶距为0度时,仰角为90度,激光束垂直发射;天顶距为90度时,发射仰角为0度,激光束水平发射。)由这个分布可以看出,激光束的闪烁强度随天顶距的增加而增加。垂直发射时闪烁强度最小,水平发射时闪烁强度最大。业已讲过,湍流大气只有
以上数据表明,大气湍流产生的激光束大气闪烁对远程激光雷达和深空光通讯有着不容忽视的负作用。因此,如何降低大气闪烁影响,就是一个值得探讨的问题。其中的一个方法就是使用大口径接收系统以平滑闪烁强度。前面讲的闪烁都是点接收系统的闪烁强度,增大接收系统的口径,当然可以降低闪烁强度。理论上,当接收口径为无穷大时,激光束的能量全部接收下来了,这当然就不再会有闪烁的现象产生。这种大口径接收的平滑闪烁的效应,也可以由信号检测理论计算出。我们计算表明,这对夏季工作状况可望有较大改善。当远程激光雷达使用
Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )
GMT+8, 2024-9-27 06:26
Powered by ScienceNet.cn
Copyright © 2007- 中国科学报社