生活中，我們在電影院里戴上偏振眼鏡可以看3D電影。如果給衛(wèi)星戴上“偏振眼鏡”呢？我們就能夠更清晰地看到大氣、陸地、海洋，看清全球氣候變化的關(guān)鍵要素和影響因子。那么，什么是偏振衛(wèi)星？涉及哪些科學(xué)原理？它在實際應(yīng)用中有哪些成效？

“偏振”看世界? 看得更清楚

光是電磁波，既具有波動性（頻率、波長），也具有粒子性（光子、量子特性）以及方向特性。形象地說，就是沿光線垂直方向上，光矢量振動的指向是變化的，被稱為偏振。人眼無法感知這種光矢量的方向性，但自然界里的螞蟻、蠅、蟬等具有復(fù)眼結(jié)構(gòu)的生物，能夠很好地感知這種方向性，并用于確定方向。

以太陽發(fā)出的自然光為例，在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，其振動沿各個方向的分布概率是均勻的，為非偏振光。如圖所示，拿一塊偏振片放于眼前，只有沿偏振片透光軸方向振動的光能通過，其余振動方向的光不能通過，這就是偏光太陽眼鏡的原理。當(dāng)繼續(xù)放置第二個同樣的偏振片時，如果兩個透光軸平行，則不會阻擋光的傳播，如果兩個偏振片的透光軸垂直，就會阻擋所有的光線，這就是液晶的工作原理。

例如，炎炎夏日，每當(dāng)我們駕車行駛或在水邊觀賞時，都會看到由光亮的柏油路或水面反射過來耀眼的光。這種光會讓我們的眼睛很不舒服，而這惱人的反射光還無法回避，即使戴上一副墨鏡也不能將其消除。這時候，如果戴上一副偏光太陽鏡，我們就仿佛置身陰涼之下，能清晰地看到路況或水里的景象。

這是由于當(dāng)光線從空氣進(jìn)入水中或其他介質(zhì)中時，會發(fā)生折射和反射，導(dǎo)致光線的偏振方向發(fā)生改變。當(dāng)自然光投射到水面上時，反射光的偏振方向較大部分為平行于水面方向振動。因此，戴上透光軸豎直的偏振鏡，就能一定程度上阻擋這部分水面反射光，讓包含水下景物信息的折射光等更易被人眼覺察到，就能夠更加清晰地看到水中的景象，這體現(xiàn)了“偏振”看世界的獨特作用。

知識鏈接? 人類對光的認(rèn)識過程

很久以來，人們對光充滿興趣和好奇。兩千多年前的古希臘著名哲學(xué)家亞里士多德，對光學(xué)現(xiàn)象——彩虹的解釋是云層中陽光以固定角度反射的結(jié)果。

1666年，英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓通過三棱鏡實驗，發(fā)現(xiàn)白光可被分解成不同顏色的光，認(rèn)為白光是由不同顏色的粒子組成。

1801年，英國科學(xué)家托馬斯·楊進(jìn)行了雙縫干涉試驗，演示了光的波動性，證明了光不僅僅具有粒子性；后來，德國物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出了光的波粒二象性。

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋利用方程組描述電磁波并且推導(dǎo)出其傳播速度等于光速，說明光是電磁波。

戴上偏振“眼鏡”的衛(wèi)星

人們可以通過佩戴偏振眼鏡降低強光的反射并消除眩光和雜散光，那么衛(wèi)星能否也戴上偏振“眼鏡”，更清晰地“看”到地物（地球表面的物體分為自然地物和人工地物。前者如山脈、江河、海岸線和天然森林等，后者如道路、居民地和建筑物等。它們在地圖上一般用規(guī)定符號表示）？答案是肯定的！

傳統(tǒng)衛(wèi)星的光波采集端通常僅設(shè)置濾光片，而偏振衛(wèi)星在光波采集端同時設(shè)置了濾光片和偏振片。濾光片的作用是選取所需觀測的光波波長，如可見光、短波紅外（波長范圍在約1～3微米的電磁輻射）、中紅外（波長范圍在約3～5微米的電磁輻射）、熱紅外（波長范圍在約8～14微米的電磁輻射）等；而偏振片則只允許透光軸方向的光通過，過濾掉其他方向的光，同時由于地球反射光是部分偏振的，因而通過多個（至少3個）透光軸不同方向的偏振片的測量組合，就可以推算出地球反射光的偏振程度（線偏振度）和振動方向。通過濾光片和偏振片的聯(lián)合使用，偏振衛(wèi)星可以完成對地球反射光的光譜和偏振特性的聯(lián)合測量，增加對電磁波的觀測維度以及對其攜帶信息的深入挖掘能力。

近年來，中國積極推動偏振衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展。2018年5月，中國成功發(fā)射了高分五號衛(wèi)星，搭載了多角度偏振相機。高分五號衛(wèi)星的要探測目標(biāo)為大氣氣溶膠（大氣中的固態(tài)或固/液態(tài)混合物）和云。高分五號衛(wèi)星可獲取沿著軌道和穿越軌道方向正負(fù)50度視場范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，影像幅寬達(dá)1850千米，具有3個光譜和偏振聯(lián)合通道，為大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究等領(lǐng)域提供寶貴的數(shù)據(jù)。2022年4月16日，中國大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星被成功送入預(yù)定軌道，搭載了高精度偏振掃描儀和多角度偏振相機兩種偏振探測傳感器，組成了偏振“交火”探測體制，并通過兩種偏振儀器視場、波段和偏振等觀測要素的匹配進(jìn)行聯(lián)合觀測，能夠進(jìn)一步提升對大氣環(huán)境的探測能力和精度。

偏振衛(wèi)星看到“彩虹”

太陽光經(jīng)過大氣氣體分子、大氣氣溶膠和云粒子散射后成為偏振光，其偏振光譜信息是大氣粒子特性的“敏感指示器”，在地球環(huán)境、遙感監(jiān)測等領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。

當(dāng)太陽光進(jìn)入云中時，云粒子發(fā)生反射、折射，會在不同方向上散射太陽光，并具有不同的偏振特性。水云和冰云的粒子形狀和折射率等存在顯著差異，它們的散射光的偏振特性也不同。

對于液態(tài)水云，在約140度散射角（太陽-云粒子-衛(wèi)星，三者之間的夾角為約40度時）附近的位置具有最強的偏振特性，其他角度的偏振特性會呈現(xiàn)高低波動的趨勢。因此，偏振衛(wèi)星在拍攝水云時，會在不同的散射角等值線處呈現(xiàn)不同的虹圈，140度附近的虹圈最亮，整體看起來就像彩虹一樣。而對于含有冰晶粒子的云，由于粒子形狀不同于水云的球形，散射光的偏振特性會顯著不同，因此偏振衛(wèi)星云圖上可以很好地區(qū)分水云和冰云。

偏振“眼鏡”用途多

與傳統(tǒng)的光譜和強度觀測相比，偏振觀測反映了太陽輻射在大氣氣溶膠和云的散射、吸收作用下的方向特性，對大氣氣溶膠和云粒子形狀、尺寸大小等物理特征有更好的敏感性。因此，偏振觀測可以有效提高衛(wèi)星遙感的探測維度和精度，改善對大氣顆粒物的探測能力，從而能夠更好地看清楚云、大氣氣溶膠和霧霾等。

不僅如此，偏振觀測還可以抑制海洋耀斑，提高海面目標(biāo)識別精度。波浪起伏的海面就像一面面破碎的鏡子，當(dāng)太陽光線直射在海面上，衛(wèi)星從特定的角度觀測海面時，會形成大面積的強光反射，即出現(xiàn)耀斑現(xiàn)象。這會導(dǎo)致圖像對比度降低和場景局部信息丟失，影響衛(wèi)星圖像的識別和分析。海面耀斑具有很強的偏振特性，通過旋轉(zhuǎn)偏振片的方法，使偏振片的檢偏方向與耀斑主要偏振方向垂直，對背景耀斑進(jìn)行抑制，從而突出關(guān)鍵目標(biāo)信息。

未來，隨著微結(jié)構(gòu)光刻等技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星戴的偏振“眼鏡”會越來越精細(xì)，能夠更細(xì)微地感受到光波的方向特性，增加對光攜帶信息的感知和解析能力！

（作者：中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院?李正強）