生活中，我們在電影院裡戴上偏振眼鏡可以看3D電影。如果是給衛星戴上「偏振眼鏡」呢？那我們就能更清晰地看到大氣、陸地、海洋，看清全球氣候變化的關鍵要素和影響因子。那麼，什麼是偏振衛星？這其中涉及哪些科學原理？它在實際應用中又有哪些成效呢？

Part.1

「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，光向量振動的指向是變化的，這被稱為偏振。人眼無法感知這種光向量的方向性，但自然界裡的螞蟻、蠅、蟬等具有複眼結構的生物，能夠很好地感知這種方向性，並用於確定方向。

以太陽發出的自然光為例，在與傳播方向垂直的平面內，其振動沿各個方向的分佈概率是均勻的，為非偏振光。如圖所示，拿一塊偏振片放於眼前，只有沿偏振片透光軸方向振動的光能通過，其餘振動方向的光不能通過，這就是偏光太陽眼鏡的原理。當繼續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迴避，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，我們就彷彿置身陰涼之下，能清晰地看到路況或水裡的景象。

這是因為，當光線從空氣進入水中或其他介質中時，會發生折射和反射，導致光線的偏振方向發生改變。當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於水面方向振動。所以，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，讓包含水下景物資訊的折射光等更容易被人眼覺察到，就能更加清晰地看到水中的景象，這就體現了「偏振」看世界的獨特作用。

知識連結——人類對光的認識過程

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家亞里士多德，對光學現象——彩虹的解釋是雲層中陽光以固定角度反射的結果。

1666年，英國物理學家艾薩克·牛頓通過三稜鏡實驗，發現白光可被分解成不同顏色的光，認為白光是由不同顏色的粒子組成。

1801年，英國科學家托馬斯·楊進行了雙縫干涉試驗，演示了光的波動性，說明光不僅僅具有粒子性；後來，德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出光的波粒二相性。

1865年，英國物理學家馬克士威用方程組描述電磁波並且推匯出其傳播速度等於光速，說明光是電磁波。

Part.2

戴上偏振「眼鏡」的衛星

人們可以通過佩戴偏振眼鏡降低強光的反射並消除眩光和雜散光，那麼衛星能否也戴上偏振「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，後者如道路、居民地和建築物等。在地圖上一般用規定符號表示）呢？答案是肯定的！

傳統衛星的光波採集端通常僅設置濾光片，而偏振衛星在光波採集端同時設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，例如可見光、短波紅外（波長範圍在約1～3微米的電磁輻射）、中紅外（波長範圍在約3～5微米的電磁輻射）、熱紅外（波長範圍在約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，同時由於地球反射光是部分偏振的，所以通過多個（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合使用，偏振衛星就可以完成對地球反射光的光譜和偏振特性的聯合測量，增加對電磁波的觀測維度以及對其攜帶資訊的深入挖掘能力。

近年來，中國積極推動偏振衛星事業的發展。2018年5月，中國成功發射了高分五號衛星，其上搭載了多角度偏振相機，主要探測目標為大氣氣溶膠（大氣中的固態或固/液態混合物）和雲。它可獲取沿著軌道和穿越軌道方向正負50度視場範圍內的影像資料，影像幅寬達1850千米，具有3個光譜和偏振聯合通道，為大氣環境監測和氣候變化研究等領域提供寶貴的資料。2022年4月16日，中國大氣環境監測衛星被成功送入預定軌道，其上搭載了高精度偏振掃描器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，通過兩種偏振儀器視場、波段和偏振等觀測要素的匹配進行聯合觀測，能夠進一步提升對大氣環境的探測能力和精度。

Part.3

偏振衛星看到「彩虹」

太陽光經過大氣氣體分子、大氣氣溶膠和雲粒子散射後成為偏振光，其偏振光譜資訊是大氣粒子特性的「敏感指示器」，在地球環境、遙感監測等領域具有獨特的應用優勢。

當太陽光進入雲中時，雲粒子發生反射、折射，會在不同方向上散射太陽光，並具有不同的偏振特性。水雲和冰雲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。

對於液態水雲，在約140度散射角（太陽-雲粒子-衛星，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高低波動的趨勢。因此，偏振衛星在拍攝水雲時，會在不同的散射角等值線處呈現不同的虹圈，140度附近的虹圈最亮，整體看起來就像彩虹一樣。而對於含有冰晶粒子的雲，由於粒子形狀不同於水雲的球形，散射光的偏振特性會顯著不同，因此偏振衛星雲圖上可以很好地區分水雲和冰雲。

Part.4

偏振「眼鏡」用途多

與傳統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雲的散射、吸收作用下的方向特性，對大氣氣溶膠和雲粒子形狀、尺寸大小等物理特徵有更好的敏感性。因此，偏振觀測可以有效提高衛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雲、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，提高海面目標識別精度。波浪起伏的海面就像一面面破碎的鏡子，當太陽光線直射在海面上，衛星從特定的角度觀測海面時，會形成大面積的強光反射，即出現耀斑現象。這會導致圖像對比度降低和場景局部資訊丟失，影響衛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，對背景耀斑進行抑制，從而突出關鍵目標資訊。

未來，隨著微結構光刻等技術的發展，衛星戴的偏振「眼鏡」也會越來越精細，能夠更細微地感受到光波的方向特性，增加對光攜帶資訊的感知和解析能力！

本文來自《知識就是力量》雜誌，原標題《衛星也戴「眼鏡」——偏振衛星》，撰文李正強，有刪改，原創作品轉載請註明來源。

撰文 / 李正強（中國科學院空天資訊創新研究院）

來源：知識就是力量