卫星居然也要戴“3D眼镜”，它是要看什么？

作者/李正强(中国科学院空天信息创新研究院)

在生活中，我们可以戴着偏光眼镜在电影院看3D电影。如果在卫星上戴上“偏光眼镜”会怎样？然后我们可以更清楚地看到大气、陆地和海洋，看到全球气候变化的关键要素和影响因素。那么，什么是极化卫星呢？这里面涉及到哪些科学原理？在实际应用中有什么效果？

“两极分化”可以更清晰地看世界

光是电磁波，不仅具有波动性(频率和波长)，还具有粒子性(光子和量子特性)和方向性特性。形象地说，光矢量振动的方向沿着光的垂直方向变化，这叫偏振。人眼无法感知这种光矢量的方向性，但自然界中蚂蚁、苍蝇、蝉等有复眼的生物却能很好地感知这种方向性，并利用它来确定方向。

以太阳发出的自然光为例。在垂直于传播方向的平面内，其振动在各个方向上的分布概率是均匀的，是非偏振光。如图，如果在眼前放一个偏振镜，只有沿偏振镜透光轴振动的光可以通过，其他振动方向的光不能通过。这就是偏光太阳镜的原理。当放置第二个相同的偏光片时，如果两个透射轴平行，就不会阻挡光的传播，如果两个偏光片的透射轴垂直，就会阻挡所有的光，这就是液晶的工作原理。

比如在炎热的夏天，每当我们在水边开车或观看时，都会看到明亮的柏油路或水面反射出耀眼的光芒。这种光线会让我们的眼睛不舒服，这种讨厌的反射光是无法避免的，即使我们戴上一副墨镜也无法消除。这时，如果我们戴上一副偏光太阳镜，就好像我们在阴凉处，可以清楚地看到路况或水中的场景。

这是因为当光从空 gas进入水或其他介质时，会发生折射和反射，导致光的偏振方向发生变化。自然光投射在水面上时，反射光的偏振方向大多与水面平行。因此，佩戴透射轴垂直的偏光镜，可以在一定程度上阻挡水面上的这部分反射光，使包含水下景物信息的折射光更容易被人眼感知，水中的景物看得更清楚，体现了“偏振”看世界的独特作用。

人类理解光的过程

长期以来，人们一直对光感兴趣和好奇。两千多年前古希腊著名哲学家亚里士多德解释了光学现象——彩虹是阳光在云层中以固定角度反射的结果。

1666年，英国物理学家艾萨克·牛顿通过棱镜实验发现白光可以分解成不同的颜色，认为白光是由不同颜色的粒子组成的。

1801年，英国科学家托马斯·金扬进行了双缝干涉实验，演示了光的波动，表明光不仅仅是颗粒状的；后来，德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了光的波粒二象性。

1865年，英国物理学家麦克斯韦用方程描述电磁波，推导出其传播速度与光速相等，表明光是电磁波。

带偏振“眼镜”的卫星

人们可以通过佩戴偏振眼镜来减少强光的反射，消除眩光和杂散光，那么卫星是否也可以佩戴偏振眼镜来更清晰地“看”地面物体(地球表面的物体可以分为自然地面物体和人工地面物体，前者如山脉、河流、海岸线和自然森林，后者如道路、居民区和建筑物。一般用地图上规定的符号表示)？答案是肯定的！

传统卫星通常在光波采集端只有滤光片，而偏振卫星在光波采集端既有滤光片又有偏振器。滤光片的作用是选择待观察光波的波长，如可见光、短波红外(波长范围约为1 ~ 3微米的电磁辐射)、中红外(波长范围约为3 ~ 5微米的电磁辐射)、热红外(波长范围约为8 ~ 14微米的电磁辐射)等。偏振镜只允许透光轴方向的光通过，过滤掉其他方向的光。同时，由于地球反射的光是部分偏振的，通过测量和组合多个(至少三个)透光轴方向不同的偏振片，可以计算出地球反射光的偏振度(线偏振度)和振动方向。偏振卫星通过滤光片和偏振器的联合使用，可以完成对地球反射光的光谱和偏振特性的联合测量，增加电磁波的观测维度和对其所携带信息的深度挖掘能力。

近年来，中国积极推动偏振卫星的发展。2018年5月，中国成功发射了高芬五号卫星，该卫星配备了多角度偏振相机。主要探测目标是大气气溶胶(大气中的固体或固体/液体混合物)和云。它可以获得沿轨道和跨轨道正负50度视场范围内的图像数据，图像宽度为1850公里，光谱和偏振三个组合通道，为大气环境监测和气候变化研究提供有价值的数据。2022年4月16日，中国大气环境监测卫星成功送入预定轨道，搭载了两个偏振探测传感器、一台高精度偏振扫描仪和一台多角度偏振相机，形成了偏振“交火”探测系统。通过两种偏振仪器的视场、波段、偏振等观测要素的匹配，可以进一步提高大气环境的探测能力和精度。

偏振卫星看到“彩虹”

太阳光被大气气体分子、大气气溶胶和云粒子散射后成为偏振光，其偏振光谱信息是大气粒子特性的“灵敏指示器”，在地球环境和遥感监测等领域具有独特的应用优势。

当太阳光进入云层时，云粒子会发生反射和折射，将太阳光散射到不同的方向，具有不同的偏振特性。水云和冰云的粒子形状和折射率存在显著差异，其散射光的偏振特性也不同。

对于液态水云，散射角约140度附近的位置(太阳、云粒子和卫星的夹角约为40度时)偏振特性最强，其他角度的偏振特性会呈现波动的趋势。因此，偏振卫星拍摄水云时，在不同的散射角等值线上会呈现不同的彩虹圈，140度附近的彩虹圈最亮，整体看起来像彩虹。对于含有冰晶颗粒的云，由于颗粒形状不同于球形的水云，散射光的偏振特性会有显著的不同，因此在偏振卫星云图上可以很好的区分水云和冰云。

偏振“眼镜”有许多用途

与传统的光谱和强度观测相比，偏振观测反映了太阳辐射在大气气溶胶和云的散射和吸收下的方向特性，对大气气溶胶和云的形状、大小等物理特性更加敏感。因此，偏振观测可以有效提高卫星遥感的探测维度和精度，提高大气粒子的探测能力，从而更好地看到楚云、大气气溶胶和雾霾。

而且偏振观测还可以抑制海洋耀斑，提高海面目标识别的精度。起伏的海面像一面破碎的镜子。当太阳直射海面，卫星从特定角度观测海面时，会形成大面积的强光反射，即耀斑现象。这会导致图像对比度的降低和场景局部信息的丢失，影响卫星图像的识别和分析。海洋耀斑具有很强的偏振特性。通过旋转起偏器，使起偏器的偏振方向垂直于耀斑的主偏振方向，抑制背景耀斑，从而突出关键目标信息。

未来，随着微结构光刻等技术的发展，卫星佩戴的偏振“眼镜”会越来越精细，可以更细微地感受到光波的方向特性，增加对光所携带信息的感知和分析能力！

本文来自《知识就是力量》杂志，原题《卫星也戴眼镜——极化卫星》，作者李正强。如转载原创作品，请注明出处。

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来源:知识就是力量

原标题:卫星也戴“眼镜”——偏振卫星

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