衛(wèi)星也戴“眼鏡”

生活中，我們在電影院里戴上偏振眼鏡可以看3D電影。如果是給衛(wèi)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(guān)鍵要素和影響因子。那么，什么是偏振衛(wèi)星？這其中涉及哪些科學(xué)原理？它在實際應(yīng)用中又有哪些成效呢？

“偏振”看世界? 看得更清楚

光有強弱（振幅）、粒子特性（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，光矢量震動的指向是變化的，這被稱為偏振。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，在其振動方向與傳播方向垂直的平面內(nèi)，沿各個方向的分布是均勻的，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，與之垂直的光不能通過，這就是光的偏振現(xiàn)象。有兩個透光軸相互垂直的偏振片，當其中一個偏振片的透光性非常好時，由于光的方向性，另外一個偏振片的透光性一定非常差。

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。

這是因為，當自然光投射到水面上時，反射光可近似看成只包含振動方向垂直于入射面的光。由于入射面是垂直的，反射光中占絕對優(yōu)勢的是水平方向的偏振光。所以，戴上透光軸豎直的偏振鏡，就能更加清晰地看水中的景象，這就體現(xiàn)了“偏振”看世界的獨特作用。

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透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（地球表面的固定性物體，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。在地圖上一般用規(guī)定符號表示）呢？答案是肯定的！

傳統(tǒng)衛(wèi)星的光波采集端僅設(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的觀測波段，例如可見光、短波紅外（波長范圍在1.1～3微米的電磁輻射）、中紅外（波長范圍在3～5微米的電磁輻射）、熱紅外（波長范圍在8～14微米的電磁輻射）等；而偏振片的作用是保留所需偏振方向的光，過濾掉其他方向的光。通過偏振片和濾光片的疊加作用，偏振衛(wèi)星就可以完成對地物的多光譜偏振測量。

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，其上搭載了多角度偏振成像儀，主要探測目標為大氣氣溶膠（大氣中的固態(tài)和液態(tài)混合物）和云。它可獲取沿著軌道和穿越軌道方向正負50度視場范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，影像幅寬達1850千米，具有3個偏振通道和5個非偏通道，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，其上搭載了高精度偏振掃描儀和多角度偏振成像儀兩種偏振探測傳感器。這顆衛(wèi)星采用偏振“交火”（集中觀測）的技術(shù)手段，通過兩種偏振儀器視場、波段和時間等觀測要素的匹配進行聯(lián)合探測，能夠進一步提升對大氣氣溶膠的探測精度。

偏振衛(wèi)星看到“彩虹”

太陽光經(jīng)過大氣分子、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。

當太陽光進入云中時，會與云粒子發(fā)生反射、折射，產(chǎn)生不同方向上的散射太陽光，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，它們的偏振特性也不同。

衛(wèi)星戴“偏振眼鏡”概念圖（繪圖/ 黃金）

對于液態(tài)水的云，在約140度散射角（太陽-云粒子-人眼，三者之間的夾角為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。而對于含有冰晶粒子的云，散射光的偏振特性會隨散射角的增大而遞減。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顯示不同的色圈，140度附近的色圈最亮，整體看起來就像彩虹一樣。

偏振“眼鏡”用途多

與傳統(tǒng)的強度觀測相比，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、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)星遙感探測的豐度和精度，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。

?偏振衛(wèi)星拍攝的水云“彩虹”圖（供圖/李正強）

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(wèi)星從特定的角度觀測海面時，會形成大面積的鏡面反射，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，對背景耀斑進行抑制，從而突出關(guān)鍵目標信息。

?偏振相機拍攝海面耀斑效果對比圖（供圖/劉曉）

?模仿昆蟲的數(shù)字“復(fù)眼”相機（繪圖/黃金）?

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”也會越來越精細，能夠更細微地感受到光波的方向特性，增加對光攜帶信息的感知和解析能力！

知識鏈接

人類對光的認識過程

很久以來，人們對光充滿興趣和好奇。2000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——彩虹的解釋是水滴色散折射的結(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，這說明光有波長變化。

1801年，英國科學(xué)家托馬斯·楊進行了雙縫干涉試驗，演示了可見光的波動性，說明光不僅僅具有粒子性；后來，法國理論物理學(xué)家路易·維克多·德布羅意提出光的波粒二相性。

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋用麥克斯韋方程組描述并且推導(dǎo)出光速，說明光是電磁波。