溫景嵩：兩點知識創(chuàng)新
發(fā)布時間:2020-06-06 來源: 日記大全 點擊： 
《創(chuàng)新話舊》第8章
第八章 創(chuàng)新點（7）── 兩點知識創(chuàng)新
8．1 為大氣激光工程服務
8．1．1 知識創(chuàng)新與理論創(chuàng)新
本章所談的創(chuàng)新點全名叫“我國大氣湍流、大氣閃爍及其對激光工程影響的研究”。這是一個知識創(chuàng)新－與前面幾章所談的理論創(chuàng)新不同，它是應我們在第七章中所談的，1972年春天在安徽光機所時王大珩先生對我們提出的第二條要求,而創(chuàng)造出的一個成果，是直接為遠程大氣激光工程研制服務的。前面幾章談到理論創(chuàng)新，是要發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的理論中存在的問題，并建立新的理論。但在為工程服務時，對理論所取的態(tài)度，卻與之相反。此時，我們首先要取的態(tài)度是，承認現(xiàn)有理論的正確性。在此基礎上，使用現(xiàn)有理論來為工程服務，回答工程人員所提出的問題。這些問題的答案是現(xiàn)有知識中所沒有的，所以這仍然是創(chuàng)新，只不過它不是理論上的創(chuàng)新，而是在知識上的創(chuàng)新，這些新知識可以為工程的研制提供一些服務。因為它是工程人員所需要知道的。
由于1972年春天在安徽光機所， 我們向王大珩先生一行工程人員匯報時，所使用的大氣湍流數(shù)據是根據美國的資料計算出，它固然說明大氣湍流、大氣閃爍可以對激光雷達和激光大氣通訊有嚴重影響，但那畢竟來源于美國的資料，不能用以確切解決我國工程所面臨的問題。所以很自然以王大珩為首的工程人員就向我們提出了一個要求，要我們弄清楚我國大氣湍流分布的特點，以及它們究竟會對我國激光工程研制產生甚麼影響。這就產生了本章所要介紹的第七個創(chuàng)新點。
8．1．2 現(xiàn)在輪到了我們
在接受王大珩先生所提出的任務同時，我們在課題組內開展了一次學習活動。這次學習以塔塔爾斯基的《湍流大氣中波的傳播理論》為主。1971年我們接受王先生的任務之前，國內還沒有人開展過這方面的研究工作。雖然我本人在大氣所105組搬遷之前，曾抓緊時間自學過一些，并因此在搬遷合肥之后，很快地就打開了局面。但我深知，為要在國內開展這方面的研究工作，光靠我一個人的力量還不行，我應該向以前帶領我們邊學習邊開拓新領域的老先生們學習，通過一邊學習這個新領域中的基本理論，一邊開展相應的理論計算和實驗工作。以此來鍛煉出我們自己的研究隊伍。這才能使這項新工作在我國的土壤中生根開花結果。既然105組中沒有老先生，那就輪到了我們來組織這項學習活動了。確實，當時安徽光機所是由一批更年輕的朋友們組成，我們這些人也就成了安徽光機所的“老同志”。
波在湍流介質中的傳播理論，是湍流科學與無線電物理、天文學、激光物理、聲學以及大氣光學、大氣聲學等學科交叉的產物。早在塔塔爾斯基的理論之前，在20世紀的上半葉，就已有了這方面的研究，那是在無線電工程，光學工程，聲學工程的帶動下發(fā)展起來的。這是一門應用基礎學科，有很強的應用價值。然而在塔塔爾斯基1959年工作之前，在這個領域中工作的專家對湍流研究并不熟悉，對在1941年創(chuàng)造出的柯爾莫果洛夫湍流理論更是無人知曉。因此大家對決定波動在湍流介質中傳播特征的湍流微結構，也就做了很粗略的假設，它們是從一般概率論，隨機過程論引進來的概念。因而不可能正確地反映出湍流微結構的規(guī)律，也就不可能得到正確的結果。只是到了塔塔爾斯基1959年的工作，才系統(tǒng)地把柯爾莫果洛夫的湍流理論，結構函數(shù)的2/3定律，以及一維湍譜的－5//3定律，三維湍譜的－11/3定律引入于本問題的研究。所得結果，自然就能正確地揭示出波動在湍流介質中傳播的規(guī)律性。例如，塔塔爾斯基所得到的大氣閃爍強度
和折射率湍流強度Cn2成正比增長關系。在閃爍強度不太大時，已被實驗證明正確。從此就確立了塔塔爾斯基理論在這一領域的權威地位。塔塔爾斯基的著作在1961年被翻譯成英文在西方出版�，F(xiàn)在已成為在這一領域中國際同行經常要引用的經典文獻。前蘇聯(lián)學者的著作在西方 也能得到公認的并不多，前面第五章講的富克斯的《氣溶膠力學》是一本，這里塔塔爾斯基的書是又一本。
塔塔爾斯基用平緩擾動法求解馬克斯威爾（Maxwell）的波動方程，從而得到了波動方程的統(tǒng)計解。所謂平緩擾動是指擾動量可以很大、很強，但擾動量在空間的分布變化卻比較平緩，也就是說它的梯度很小。很明顯這種方法意圖解決比一般小擾動方法更為普遍的強擾動問題。但后來的實驗證明當擾動強度比較大，例如閃爍強度
此外塔塔爾斯基的書研究平面波球面波在穿過湍流大氣時所受到的擾動影響，但激光工程使用的都是束狀波，這要比平面波與球面波復雜得多。為使塔塔爾斯基的理論能應用倒60年代以后才發(fā)明的激光工程中去，1967年美國學者舒梅爾澤（ Schmeltzer）與弗里德和1969年伊勢馬魯(Ishmaru)先后都研究了束狀波在湍流大氣中的傳播過程。他們的基本方法沒有變，仍然使用了塔塔爾斯基的平緩擾動法，而舒梅爾澤與弗里德1967年的方法和伊勢馬魯1969年的方法在細節(jié)上又有所不同。就中已伊勢馬魯?shù)臑樽詈�。我們就采用了他的結論。然而由于束狀波并非絕對平行光束，它們還是有發(fā)散角，雖然很小。大量的理論計算又表明，當光束傳播距離大于100公里以后，束狀波的計算趨于和球面波一致，所以對于中長距離的激光工程而言，仍然可以使用球面波來近似。
為了鞏固這次學習成果，鑒于塔塔爾斯基這本書已成為國際上在這一領域中影響深遠的經典著作，我們就組織了力量 一邊學習，一邊把這本書翻譯成中文，參加翻譯工作的還有宋正方、曾宗泳、顧慰渝。打倒“四人幫”后，我們把它交給科學出版社，于1978年出版。翻譯按照1961年英文版進行，在翻譯過程中還參照了它的1959年俄文原著。塔塔爾斯基在1967年時，對原書做了修正，出了第二版。我們當時限于條件，搞不到手。于是在我們1978年中文版的《譯者的話》中除了介紹這本書的重要意義和它的國際影響以外，還講到該書的缺點錯誤之處。特別是“閃爍飽和”一事，塔塔爾斯基對此曾在該書1959年第一版中有不恰當?shù)慕忉?，當時他沒有認識到這是他的平緩擾動方法的局限性。對此我們在1978年中文版的《譯者的話》中給予了更正，介紹了在1970－1975年間國際上三篇新的重要工作給讀者。對于光學接收系統(tǒng)使用大口徑接收來光滑、降低大氣閃爍強度，我們也給出了新的理論分析和計算�？傊�，我們盡力使我國讀者能夠跟上時代前進的步伐，不但能了解到這一領域中的基本理論，也能了解到這一領域當時的最新動態(tài)。
沒有想到我們70年代于安徽光機所做的這一小小的工作，后來在我國的相關領域中產生了有益影響。90年代，因一次偶然的機會，我有幸參加了北京大氣物理所的一次會議，鄰座一位部隊來的朋友和我互通姓名后說，他早就知道我的名字，對我表示出相當大的熱情。我因自1971年離開大氣所后就和大氣物理學界的人基本上沒有來往，對這位朋友的舉止不太理解。后來他講起，他是因為學習過塔塔爾斯基的書而得知我的名字。我才恍然大悟，原來那本書居然在部隊中也起了良好的作用。進入21世紀后不久，在天津理工大學工作的幾位朋友，把他們在天體物理領域的一些工作送給我看。拜讀之下，才發(fā)現(xiàn)他們的論文也引用了我們翻譯的塔塔爾斯基的著作，而且經常引用。從70年代我們學習并翻譯這本書開始，到現(xiàn)在已過去三十多年。想到這本書居然能經受了三十多年時間的考驗，其影響能夠及于現(xiàn)在，這不能不使人感到欣慰。
8．2 知識創(chuàng)新之一
這個新知識是指我國大氣湍流強度在整層大氣中分布的一個模型，它是王大珩先生在1971年提出的一個基本要求。要我們弄清我國大氣湍流分布的實際情況，以此作為討論問題的出發(fā)點。通常人們可以通過兩種手段來獲取這方面的知識。一是靠直接和間接的大氣湍流探測；
另一個途經則是根據一定的理論設想，從常規(guī)的氣象要素的平均場探空觀測資料中來估算大氣湍流場的分布特征。第一種湍流大氣的探測方法，當然最好，它所獲取的資料可靠性更大，精度也高。缺點是費用昂貴，要使用飛機做大量的飛行觀測，而這一般不可能。所以我們在當時也就選取第二條道路。走這條道路，首先就要解決好對柯爾莫果洛夫和塔塔爾斯基理論取什么態(tài)度問題。我們在上一節(jié)已經談到，塔塔爾斯基的成功是他把柯爾莫果洛夫1941年湍流理論第一次全面系統(tǒng)地引入于波動傳播問題中來，而取得的結果。然而根據我們在第七章湍流不連續(xù)性的發(fā)現(xiàn)中已經談到，柯爾莫果洛夫理論的湍流模型有問題，湍流理論需要重新塑造。在這種情況下，我們還能繼續(xù)跟著塔塔爾斯基去使用柯爾莫果洛夫理論嗎？對此，我們 認為仍然可以。第一，到現(xiàn)在為止基礎研究工作者還沒有創(chuàng)造出一個能為大家所公認的新理論來。因此應用工作者就只能在原有的柯爾莫果洛夫理論的基礎上，去解決工程應用中提出的實際問題。第二，上一章中談到湍流的不連續(xù)性發(fā)現(xiàn)，也沒有全盤否定柯爾莫果洛夫理論，只是否定了他的物理模型，而柯爾莫果洛夫理論所預測的結構函數(shù)2/3定律、一維湍譜－5/3定律卻仍然正確�，F(xiàn)在，在使用塔塔爾斯基理論時，對描述湍流強度的特征量，例如溫度脈動的結構函數(shù)CT2，以及折射率起伏的結構函數(shù)Cn2，仍然是由柯爾莫果洛夫理論所導出的上述湍流微結構的2/3定律才得到。既然2/3定律和－5/3定律仍然正確，那么使用由此導出的描述溫度湍流場強度CT2，以及折射率起伏的湍流強度Cn2就仍然有充分根據。第三，我們在上一節(jié)中已經談到，塔塔爾斯基理論本身關于閃爍強度隨距離增長關系，關于它和折射率湍流強度Cn2的增長關系，在閃爍未達到飽和之時都已有實驗證明。那么我們在此范圍內應用塔塔爾斯基理論就完全可以允許。萬一閃爍達到飽和以后，我們只需放棄塔塔爾斯基的增長關系，保持閃爍強度為飽和值即可。
還余下一個更重要的問題，那就是如何根據常規(guī)氣象要素平均場的探空觀測數(shù)據，導出大氣溫度和折射率湍流場強度CT2和Cn2的分布規(guī)律。這個問題也已由塔塔爾斯基所解決。
波動的傳播所需要知道的是大氣折射率湍流強度Cn2 ，直接觀測它是不可能。由于大氣折射率起伏強度Cn2主要決定于溫度湍流場的強度CT2，而CT2與Cn2的關系又是已知，所以一旦CT2已定，Cn2就能計算出來。與此相同，從常規(guī)氣象要素場，也不能直接導出Cn2的計算公式，它同樣只能導出CT2的計算公式。
然后根據相同的關系可以計算出Cn2數(shù)值。而溫度湍流強度CT2和常規(guī)氣象要素場的關系公式，則仍然是塔塔爾斯基根據由大尺度平均溫度梯度場在單位時間里所能產生出來的溫度起伏不均勻量，在平衡時候，與在分子尺度上，由空氣分子導溫率單位時間里所平滑掉的溫度不均勻量相等的原理導出。
然而在塔塔爾斯基導出的CT2和常規(guī)氣象要素平均場梯度關系中仍有一個湍流場的未知量，即湍流交換系數(shù)K。對此，塔塔爾斯基使用了1958年馬特維也夫（Matviev）對湍流交換系數(shù)K的觀測結果。但馬特維也夫1958年的觀測僅僅由32次飛行觀測做出，代表性不大，以后并未被普遍接受。1964年美國學者赫弗納蓋爾（Hufnagel）和斯坦利(Stanley)建議，把塔塔爾斯基關系式中的湍流交換系數(shù)K用另一個湍流場的特征量，即 湍能耗散率e的資料代替，因而得到了一個新公式。而e的觀測數(shù)據，他們則建議采用1961年博爾（Ball）的工作。該工作比較有代表性，比馬特維也夫的K分布更可靠。1964年 被湍流領域中著名的美國學者蘭姆利（Lumley）和帕諾夫斯基（Panofsky）收入他們合著的《大氣湍流結構》一書。因而博爾的e分布，取代了馬特維也夫的K分布而為波動傳播領域的同行們所采用。我們也不例外，采用了赫弗納蓋爾和斯坦利新導出的CT2和常規(guī)氣象要素平均場梯度的關系式，式中的e分布也就同樣采取了博爾的1961年的數(shù)據。
然而，按照以上方案，由常規(guī)氣象要素平均場的梯度計算出來的CT2分布，(點擊此處閱讀下一頁)
以及相應的Cn2分布偏大。赫弗納蓋爾于1966年，由實測出的大氣閃爍量和按從常規(guī)氣象要素場導出的Cn2分布計算出的大氣閃爍比較后才發(fā)現(xiàn)此問題，幸而柯爾莫果洛夫湍流理論是用量綱分析法導出。前已指出用這種方法導出的結果其中的比例系數(shù)要由實驗決定，不可能像低雷諾數(shù)流體力學以及氣溶膠力學那樣嚴格和精確。這本來是柯爾莫果洛夫理論的缺點，現(xiàn)在應用中卻成了這理論的一個優(yōu)點。一直以來人們使用的這一系數(shù)值是2.40，這是根據近地面觀測實驗中總結出來的。1966年赫弗納蓋爾就根據實測的大氣閃爍數(shù)據反推出柯爾莫果洛夫理論中的經驗系數(shù)修正值，這當然要比2.40小。不過2.40既然是近地面實測結果，并非理論確定的嚴格值。所以也就應該允許赫弗納蓋爾對此按照實測大氣閃爍值來修正了。
赫弗納蓋爾1966年對柯爾莫果洛夫理論中的系數(shù)2.40的修正，當然不能拿來應用于我們中國的問題中來，因為那是根據美國的大氣閃爍實測值進行的修正。幸而當時上海的佘山天文臺對星光抖動角和天頂距q的關系有一批觀測數(shù)據。在塔塔爾斯基理論體系中，除大氣閃爍有理論公式外，他也得到了星光抖動和天頂距q的理論關系。使用這個關系也可以反過來推出柯爾莫果洛夫理論經驗系數(shù)的修正值。在反推時，我們對近地面20米以內仍然使用通常的公認值2.40，只是反推20米以上的值,所得的這個經驗系數(shù)的平方值等于0.127 ，顯然也比2.40 的系數(shù)值為小。在這一條件下，由我們從上海常規(guī)氣象要素平均場梯度導出的折射率湍流場的Cn2分布，可以與上海佘山天文臺對星光抖動觀測數(shù)據一致。于是，根據這個用上海星光抖動觀測數(shù)據校正過的系數(shù)值，我們就得到了上海地區(qū)大氣折射率湍流場強度Cn2的分布。
這工作是在1972年我們接受了王大珩先生的任務后進行，所以采用了那時還是最新的氣象資料。即從1968年到1972年五年間上海氣象臺的探空資料，當時還沒有復印機，我和新到所的從清華大學來的顧慰渝一起到上海氣象臺專程出差，用手工抄錄他們這五年來，冬季1月07時和19時，夏季7月07時和19時，對氣溫、氣壓、風向、風速，從地面一直到距地面20公里的高空中隨高度變化的資料。探空資料一般也就到20公里高空為止，以上的氣象要素是未知。然而，一般天氣變化都發(fā)生在這20公里以下，叫對流層。做為天氣預報，這些資料也就夠用了。遠程激光工程傳輸距離在1000公里，乍看起來，似乎探空資料限于20公里以內，還不夠用。但是湍流活動主要限于近地面大氣層，往上湍流強度衰減得很快。從我們得到的上海資料看，20公里高空的湍流強度已比近地面的減小了7個數(shù)量級。所以20公里以上的湍流強度我們可假定它為0。
最后還有一個重要問題，就是如何定義氣象要素的平均場問題。我們的定義是取五年氣象要素場的平均值，然后再用塔塔爾斯基公式計算湍流強度分布。我們的理由是，塔塔爾斯基關于平均場和湍流場的關系式之導出，其基礎是平均場和湍流耗散場之間取得了平衡，而湍流耗散場反映的是分子導溫率引起的耗散，是一個分子尺度上的特征。而探空氣象資料反映的是大尺度，即1000公里尺度的特征。為要在這兩種尺度相差達10多個數(shù)量級的過程達到平衡，其時間尺度應十分巨大。所以我們才取五年氣象要素的平均值作為平均場。實即認為在這樣長的時間尺度上，千公里尺度平均場與分子尺度的湍流耗散場才會達到平衡。曾經在這一問題上有過不同意見。認為按我們的定義計算出的折射率湍流強度Cn2在隨高度降低時存在起伏現(xiàn)象，有的起伏還相當大，這不應是五年平均湍流場應該有的特征。他們認為按常理，五年平均后得到的湍流強度隨高度分布應該十分光滑。這里，分歧的實質在于，我們五年平均的是常規(guī)氣象要素場，并不是平均的湍流強度分布。我們五年平均的氣溫、氣壓、風向、風速隨高度分布確實是光滑的，無起伏現(xiàn)象，但由此導出的湍流強度卻確實有起伏。因為按塔塔爾斯基的理論，溫度湍流強度CT2是由氣溫、風向、風速平均場的梯度產生的，雖然本身值連續(xù)、光滑，但其梯度值卻完全可以有起伏。這在數(shù)學上是完全合理的，在物理上也可以解釋為高空中存在晴空湍流所致。相反，若按他們的要求，求取五年湍流場的平均值，那勢必就要認為，五年中每一天的探空資料都與分子耗散尺度取得了平衡，從而可以導出當天的氣溫湍流強度CT2分布。然后五年平均下來，這樣的CT2就會光滑、無起伏了。然而我們已在前面指出，每天的探空資料與氣溫湍流耗散場兩者之間尺度相差十分巨大，不可能設想它們在每一天都會達到平衡。我們承認這樣算的氣溫湍流CT2分布，以及由此而計算出的折射率湍流強度Cn2分布要比我們的光滑得多，但在物理上這種計算方法站不住腳。
以上的工作，雖是在70年代“文革”結束之前即已完成，然而由于“文革”時期所有學術刊物都已�？�。所以這個上海地區(qū)整層大氣湍流強度分布的計算數(shù)據，直到打倒“四人幫”，并且《氣象學報》已恢復出版后，才在1980年發(fā)表在該學報的第38卷第2期上。作者有三人，除當時還在安徽光機所工作的顧慰渝和我以外，還有計算所的魏公毅，他承擔了全部計算程序的設計與上機計算工作。
8．3 知識創(chuàng)新之二
這一方面的知識創(chuàng)新就是要告訴工程界的朋友們，在上述上海整層大氣湍流強度分布條件下，它對我國的遠程激光雷達，和深空光通訊工程會產生什么樣的影響。
大氣湍流對激光大氣工程的影響多種多樣， 與大氣分子，大氣氣溶膠對激光大氣工程的影響比較單一不同，在那里主要是通過大氣分子，和大氣氣溶膠對激光光束能量的吸收和散射，使光束的能量衰減。而大氣湍流的效應卻是多種多樣，對不同的激光大氣工程有不同的影響。例如，對激光武器而言，它會使光束漂移和抖動，對聚焦光束還會起到湍流散焦的作用。對激光雷達而言，它會增加雷達追蹤靶標時的丟靶概率。對激光大氣通訊工程而言，它會增加通訊中的誤碼率，對于外差接收系統(tǒng)而言，它會降低系統(tǒng)外差接收效率。我們則要研究湍流對遠程激光雷達和深空光通訊的影響，所謂遠程，即作用距離達到1000公里。
大氣湍流對激光雷達和激光大氣通訊的影響，主要通過它使光束的光強發(fā)生忽亮忽暗的閃爍而形成，叫大氣閃爍。大氣閃爍與大氣分子，大氣氣溶膠引起的衰減不同，它并不會使光束總能量衰減。在大氣湍流作用下，平均的光束能量并不會改變，但它會使光束能量做隨機的再分布。有的地方有的時候能量大一些，有的地方，有的時候能量小一些。這種光束的大氣閃爍就會使雷達的丟靶概率大為增加，使光通訊的誤碼率大為增加。原來沒有湍流時，工程中的丟靶概率和誤碼率是系統(tǒng)內部的電子噪音造成。對此工程技術界已經發(fā)明出一整套的信號檢測理論來對付它，使之能工作在最佳狀態(tài)。電子噪音無法根除，所以不可能做到0丟靶概率和0誤碼率，只能做到在一定條件下，使丟靶概率和誤碼概率保持最小狀態(tài)。這種信號檢測理論，應用到有大氣閃爍存在時的激光雷達和激光通訊工程時，就需要進行一些修正。把通訊工程和雷達工程中的信號檢測理論引入激光工程中來的是，美國著名學者弗里德等人在1967年的工作�？梢哉f弗里德等人是有大氣閃爍存在時的激光大氣工程中的信號檢測統(tǒng)計理論的創(chuàng)始人。他的理論后來又在70年代得到一些學者進一步發(fā)展和完善。我們的工作就是應用這些理論于我國的工程實際。首先以上一節(jié)得到的上海大氣湍流強度的分布為基礎，應用塔塔爾斯基等人的大氣閃爍理論于上海的這個分布，于是就得到了遠程激光束，在以不同的天頂距穿過上海的湍流大氣層時，得到的閃爍強度
天頂距為90度時，發(fā)射仰角為0度，激光束水平發(fā)射。）由這個分布可以看出，激光束的閃爍強度隨天頂距的增加而增加。垂直發(fā)射時閃爍強度最小，水平發(fā)射時閃爍強度最大。業(yè)已講過，湍流大氣只有20公里厚，20公里以上，湍流強度可假定為0，高層大氣處在無湍流狀態(tài)。因此，遠程激光束在垂直發(fā)射時，所經歷的湍流大氣層只有20公里，余下的980公里均為無湍流影響的大氣，它所產生的大氣閃爍應該最小。而隨著天頂距的不斷增加，遠程激光束所經歷的湍流大氣層之光程越長，光束的閃爍的強度就應越來越大。直到天頂距為90度，激光束水平發(fā)射時，它所穿過的湍流大氣層的光程應該最長，達到500公里以上，無湍流之光程最短，此時的光束的閃爍強度應該達到最大。得到了這個上海地區(qū)遠程激光束的閃爍強度隨天頂距的變化后，再以此為基礎，把弗里德等人的在大氣閃爍條件下雷達工程與通信工程的信號檢測理論應用過來，就得到這兩種工程損失因子的天頂距分布。所謂損失因子，系指在湍流大氣形成了大氣閃爍的條件下，為維持原定工程性能指標（包含雷達的丟靶概率和光通訊的誤碼率）所需要增加的發(fā)射光束的信噪比之分貝數(shù)。此時所增加的發(fā)射功率，不會使工程的性能指標進一步提高，因為這個功率消耗在抵消大氣閃爍的影響以維持原定的性能指標。很明顯大氣閃爍越強，原定的性能指標越高，損失因子就越大。把弗里德等人的信號檢測理論應用到前面得到的上海地區(qū)遠程激光束的大氣閃爍強度隨天頂距變化分布時候，就得到了損失因子隨天頂距增加而單調上升的分布，其原因是由于 大氣閃爍強度隨天頂距的增加而單調上升地增加。損失因子的這種上升趨勢，當天頂距越接近90度水平發(fā)射時，增加得越快。另一方面，激光器的發(fā)射功率又不可能無限制地增加，所以當損失因子增加到一定數(shù)值時，就有可能達到了現(xiàn)有激光器發(fā)射功率的極限，而使該激光工程無法再按原定性能指標工作下去。此時的損失因子就叫臨界損失因子，相應的天頂距叫臨界天頂距。就此 形成了一個“盲區(qū)”，這是大氣湍流通過大氣閃爍造成的激光雷達或激光通訊的“盲區(qū)”�？梢娗闆r嚴重。以發(fā)射功率增加10分貝為臨界損失因子，則可從損失因子的分布曲線上找出這個臨界天頂距的量值。不同的工程有不同的性能指標，性能指標定得越高，則相應的臨界天頂距越小，“盲區(qū)”的范圍越大。冬季與夏季也不相同，以夏季的臨界天頂距為最小，“盲區(qū)”的范圍最大。這是由于夏季的大氣湍流強度要比冬季強一個量級之故。以遠程激光雷達為例，當丟靶概率被確定為0.5時， 冬季的臨界天頂距可到89.5度，“盲區(qū)”仰角只有半度；
但夏季的臨界天頂距就縮小到82度，“盲區(qū)”仰角增加到8度了。又如當我們把丟靶概率定得更嚴格一些，提高到0.01，則情況就更不妙。此時冬季的臨界天頂距就縮小為86度，“盲區(qū)”仰角擴大到4度；
夏季臨界天頂距則更縮小到只有64度，“盲區(qū)”仰角擴大到26度，已是相當嚴重了。再以深空光通訊為例，當誤碼率規(guī)定為10－4（每一萬次發(fā)碼，允許錯一次）。則冬季臨界天頂距為85度，“盲區(qū)”仰角是5度；
夏季臨界天頂距為51度，“盲區(qū)”仰角擴大到39度。但若規(guī)定誤碼率為10－6，要求更高，限定每發(fā)射一百萬個碼，才允許錯一次。則冬季臨界天頂距為82度，“盲區(qū)”仰角擴大到8度；
夏季則更為嚴重，臨界天頂距是33度，“盲區(qū)”仰角擴大到57度，情況已十分嚴重。
以上數(shù)據表明，大氣湍流產生的激光束大氣閃爍對遠程激光雷達和深空光通訊有著不容忽視的負作用。因此，如何降低大氣閃爍影響，就是一個值得探討的問題。其中的一個方法就是使用大口徑接收系統(tǒng)以平滑閃爍強度。前面講的閃爍都是點接收系統(tǒng)的閃爍強度，增大接收系統(tǒng)的口徑，當然可以降低閃爍強度。理論上，當接收口徑為無窮大時，激光束的能量全部接收下來了，這當然就不再會有閃爍的現(xiàn)象產生。這種大口徑接收的平滑閃爍的效應，也可以由信號檢測理論計算出。我們計算表明，這對夏季工作狀況可望有較大改善。當遠程激光雷達使用80厘米口徑的接收系統(tǒng)，丟靶概率規(guī)定為0.01時，夏季“盲區(qū)”的仰角范圍可望從26度降低到14度。對于深空光通訊，若同樣使用80厘米口徑的接收系統(tǒng)時，當誤碼率規(guī)定為10－6，則夏季的“盲區(qū)”仰角范圍可望從57度降低到31度。這就是我們把塔塔爾斯基的大氣湍流與氣象要素的平均場關系的理論，以及他的大氣閃爍理論，連同弗里德的湍流大氣中激光束信號檢測理論應用到我國上海地區(qū)時，所得到的一系列數(shù)據。這是一種知識創(chuàng)新，它使得以往還是空白，一無所知的我國大氣湍流狀況，大氣閃爍狀況，遠程激光工程所可能受到的具體影響等問題，現(xiàn)在終于能初步的為人們所認識，有了一個初步的答案。這個知識創(chuàng)新的成果，得到了當時相關工程界朋友們的重視，(點擊此處閱讀下一頁)
為他們解決了一些問題。對理論工作者而言，則是為工程界作了一次服務，是與理論創(chuàng)新具有同樣重要意義的工作。
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8．4 同樣強的生命力
我必須承認，我對上述知識創(chuàng)新，為大氣激光工程服務的工作之意義，認識上有一個過程，并不是一下子就認識到。由于這成果不是理論上的創(chuàng)新，乍看起來，它的學術價值不大。所以，在最初我剛開始構思本書內容時，甚至還沒有準備把它放進來。只是后來在動筆寫起來以后，有一天天津理工大學黃寅亮教授課題組的付元芬老師，把她們和北大毛節(jié)泰教授課題組合作研究的成果送給我。該成果的系列論文，從1999年到2003年共有9篇，分別發(fā)表在《應用氣象學報》，《天文學報》，《天體物理學報》，《中國學術期刊文摘（科技快報）》，《天津理工大學學報》等五種刊物上。拜讀之后，我才發(fā)現(xiàn)，他們引用了本章所談的創(chuàng)新點（7）。這有力地說明 這個知識創(chuàng)新，和我前面所講的幾個理論創(chuàng)新成果具有同樣強的生命力。我們在70年代所完成的這個應用性的工作，居然也經住了二、三十年時間的考驗，到現(xiàn)在人們還在引用它，使它也跨入了21世紀。這使我再次感到十分欣慰。
原來她們所承擔的課題也是應用性，不過不再是為激光大氣工程服務，而是為我國天文臺站網建設中的選址工作服務。在我國天文臺選址工作中，需要氣象工作者配合，利用我國氣象系統(tǒng)臺站網的大量數(shù)據。找出云量少，大氣視寧度好的地方來建設天文臺。所謂大氣視寧度是由弗里德參數(shù)r0來表征的，這里的弗里德就是本章前面所講的美國著名學者弗里德，可以說他是一位應用湍流光學的權威人物。他在研究湍流大氣中的光學成像理論時，提出了大氣相干長度r0的概念。這概念的物理意義是在達到理論衍射極限條件下，所能使用的光學儀器的孔徑的上限，r0當然和折射率湍流大氣強度Cn2有關，與光路上Cn2成某種積分關系，和這個積分的3/5次方成反比。人們?yōu)榧o念弗里德的這一貢獻，就把r0稱之為弗里德參數(shù)。它不僅是天文臺選址，以及天文觀測中需要了解的一個基本參數(shù)，而且是航空、航天器的測量、跟蹤與控制的基本參數(shù)，其重要性非比一般�？梢灶A期，這成果的重要性，還會隨著我國航空、航天等高科技事業(yè)的進一步發(fā)展，而 日益顯著起來。
在黃寅亮、毛節(jié)泰、付元芬等人的工作中，主要引用了我們在本章中介紹的知識創(chuàng)新之一，即1980年在《氣象學報》復刊以后的38卷第2期上《關于上海整層大氣湍流強度Cn2隨高度分布的一個模型》一文�？磥�，我們那時所使用的方法有說服力，可以讓人們接受和采用。天津理工大學的黃寅亮教授課題組，和北京大學的毛節(jié)泰教授課題組正是采用了這一方法，解決了他們所面對的實際問題。在應用這一方法于實際時，重要的一個問題仍然是要確定柯爾莫果洛夫湍流理論中的經驗系數(shù)量值。他們使用了比我們當年更好的、更多的資料。其中包括了云南天文臺的于建明等人在麗江高美古天文候選點的視寧度觀測資料（1996）；
另一個是安徽光機所曾宗泳等人在北京天文臺的興隆站所做的大氣湍流氣球探測出的弗里德參數(shù)r0（1996）。把這兩組實測弗里德參數(shù)共27個樣本和相應的氣象資料對比，（氣象資料則分別取自云南氣象臺和北京氣象臺從1986－1995十年的氣象探空資數(shù)據。）在對比中使用了通常的統(tǒng)計方法。得到了柯爾莫果洛夫湍流理論的經驗系數(shù)值為0.3532，其統(tǒng)計置信度通過千分之一的檢驗�？吹竭@兩個課題組所得的新的經驗系數(shù)值后，我內心十分高興，因為它和我們在二十多年前從上海得到的量值一致。前節(jié)指出，我們得到的該系數(shù)平方值是0.127，開平方后是0.356，與黃寅亮得到的值相差不到千分之八�？磥磉@一數(shù)據確有其代表性，這是在我國不同地點（一個在西南地區(qū)，一個在華北地區(qū)，一個在華東地區(qū)），不同時期（一個是在1968－1972五年平均，另兩個是1986－1995十年平均），用不同的方法（我們用上海星光抖動角的數(shù)據訂正，他們是用實測弗里德參數(shù)訂正）得到的，而其結果又符合得這樣好，令人感到我們在70年代所做的工作不僅方法上有普遍意義，而且在上海地區(qū)所得到的那個經驗系數(shù)值也有普遍意義，這些數(shù)據確有其權威性，可以代表我國湍流大氣的真實特征。在此基礎上，黃寅亮等人把他們得到的數(shù)據推廣到全國81個探空氣象站上總數(shù)為兩千萬個數(shù)據（71個站有十年數(shù)據，10個站有五年數(shù)據），由此得到了弗里德參數(shù)在全國范圍內的地理分布、季節(jié)變化的特點，以及它們和我國大氣環(huán)流形勢變化特征的關系。從而完成了這一十分宏偉的我國應用湍流光學中的基礎數(shù)據研究工作。這一工作為我國天文臺站網的選址以及其他光學工程提供了很好的服務。是我國大氣湍流工作者為工程服務的又一個成功例子。
在結束本章時，還應講一下對應用基礎理論的評價問題。從本章講的我們在70年代的應用工作，以及黃寅亮和毛節(jié)泰兩教授的課題組在90年代的工作，可以清楚地認識到柯爾莫果洛夫湍流理論的一個方面的應用價值。他的理論不是純理論，而是應用基礎理論，這一點應確定無疑，盡管該理論有著很艱深的內容。然而我們在考察這一理論的重要意義時，卻不能從應用價值出發(fā)來考察。設想在1941年，當柯爾莫果洛夫發(fā)表他的湍流理論時，若我們就追究這理論的應用價值，肯定柯爾莫果洛夫就會目瞪口呆，無法說清楚他的理論的價值。因為僅就我們這個例子看，柯爾莫果洛夫理論的這一應用價值不僅在當時還看不出，就是在后來還必須經過幾代人的努力，經過塔塔爾斯基在50年代的成功工作，和弗里德60年代的成功工作才能看清楚。爾后才會有我們的應用工作，才會有黃寅亮，毛節(jié)泰等人的應用工作，而這已是三十年甚至是五十年后的事了。由此可以看出，對于應用基礎理論應該和純理論一樣，主要應考察它的學科價值，看它在學科上解決了甚麼大問題。至于應用，則應有耐心，有遠見。既然湍流相當普遍地存在于自然界和工程領域，那麼一個成功的湍流理論，就早晚必然會有它的應用價值，其真實價值是無可估量的。
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