卫星居然也要戴“3D眼镜”，它是要看什么？
李正强中科院物理所2023-11-04 13:01:18转⾃公众号：知识就是⼒量http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5Mzc5MDg2Mw==&mid=2657962747&idx=1&sn=9386b7131a04d29a6b450f8fe3870531撰⽂ / 李正强（中国科学院空天信息创新研究院）⽣活中，我们在电影院⾥戴上偏振眼镜可以看3D电影。
如果是给卫星戴上“偏振眼镜”呢？那我们就能更清晰地看到⼤⽓、陆地、海洋，看清全球⽓候变化的关键要素和影响因⼦。那么，什么是偏振卫星？这其中涉及哪些科学原理？它在实际应⽤中⼜有哪些成效呢？光是电磁波，既具有波动性（频率、波⻓），也具有粒⼦性（光⼦、量⼦特性）以及⽅向特性。形象地说，就是沿光线垂直⽅向上，光⽮量振动的指向是变化的，这被称为偏振。
⼈眼⽆法感知这种光⽮量的⽅向性，但⾃然界⾥的蚂蚁、蝇、蝉等具有复眼结构的⽣物，能够很好地感知这种⽅向性，并⽤于确定⽅向。“偏振”看世界看得更清楚以太阳发出的⾃然光为例，在与传播⽅向垂直的平⾯内，其振动沿各个⽅向的分布概率是均匀的，为⾮偏振光。如图所示，拿⼀块偏振⽚放于眼前，只有沿偏振⽚透光轴⽅向振动的光能通过，其余振动⽅向的光不能通过，这就是偏光太阳眼镜的原理。
当继续放置第⼆个同样的偏振⽚时，如果两个透光轴平⾏，则不会阻挡光的传播，如果两个偏振⽚的透光轴垂直，就会阻挡所有的光线，这就是液晶的⼯作原理。例如，炎炎夏⽇，每当我们驾⻋⾏驶或在⽔边观赏时，都会看到由光亮的柏油路或⽔⾯反射过来耀眼的光。这种光会让我们的眼睛很不舒服，⽽这恼⼈的反射光还⽆法回避，即使戴上⼀副墨镜，也不能将其消除。
这时候，如果戴上⼀副偏光太阳镜，我们就仿佛置身阴凉之下，能清晰地看到路况或⽔⾥的景象。这是因为，当光线从空⽓进⼊⽔中或其他介质中时，会发⽣折射和反射，导致光线的偏振⽅向发⽣改变。当⾃然光投射到⽔⾯上时，反射光的偏振⽅向较⼤部分为平⾏于⽔⾯⽅向振动。
所以，戴上透光轴竖直的偏振镜，就能⼀定程度上阻挡这部分⽔⾯反射光，让包含⽔下景物信息的折射光等更容易被⼈眼觉察到，就能更加清晰地看到⽔中的景象，这就体现了“偏振”看世界的独特作⽤。知识链接⼈类对光的认识过程很久以来，⼈们对光充满兴趣和好奇。两千多年前的古希腊著名哲学家亚⾥⼠多德，对光学现象——彩虹的解释是云层中阳光以固定⻆度反射的结果。
1666年，英国物理学家艾萨克·⽜顿通过三棱镜实验，发现⽩光可被分解成不同颜⾊的光，认为⽩光是由不同颜⾊的粒⼦组成。1801年，英国科学家托⻢斯·杨进⾏了双缝⼲涉试验，演示了光的波动性，说明光不仅仅具有粒⼦性；后来，德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出光的波粒⼆相性。1865年，英国物理学家⻨克斯⻙⽤⽅程组描述电磁波并且推导出其传播速度等于光速，说明光是电磁波。
⼈们可以通过佩戴偏振眼镜降低强光的反射并消除眩光和杂散光，那么卫星能否也戴上偏振“眼镜”，更清晰地“看”到地物（地球表⾯的物体，分为⾃然地物和⼈⼯地物，前者如⼭脉、江河、海岸线和天然森林等，后者如道路、居⺠地和建筑物等。在地图上⼀般⽤规定符号表示）呢？答案是肯定的！戴上偏振“眼镜”的卫星传统卫星的光波采集端通常仅设置滤光⽚，⽽偏振卫星在光波采集端同时设置了滤光⽚和偏振⽚。
滤光⽚的作⽤是选取所需观测的光波波⻓，例如可⻅光、短波红外（波⻓范围在约1～3微⽶的电磁辐射）、中红外（波⻓范围在约3～5微⽶的电磁辐射）、热红外（波⻓范围在约8～14微⽶的电磁辐射）等；⽽偏振⽚则只允许透光轴⽅向的光通过，过滤掉其他⽅向的光，同时由于地球反射光是部分偏振的，所以通过多个（⾄少3个）透光轴不同⽅向的偏振⽚的测量组合，就可以推算出地球反射光的偏振程度（线偏振度）和振动⽅向。
通过滤光⽚和偏振⽚的联合使⽤，偏振卫星就可以完成对地球反射光的光谱和偏振特性的联合测量，增加对电磁波的观测维度以及对其携带信息的深⼊挖掘能⼒。近年来，中国积极推动偏振卫星事业的发展。2018年5⽉，中国成功发射了⾼分五号卫星，其上搭载了多⻆度偏振相机，主要探测⽬标为⼤⽓⽓溶胶（⼤⽓中的固态或固/液态混合物）和云。
它可获取沿着轨道和穿越轨道⽅向正负50度视场范围内的影像数据，影像幅宽达1850千⽶，具有3个光谱和偏振联合通道，为⼤⽓环境监测和⽓候变化研究等领域提供宝贵的数据。
2022年4⽉16⽇，中国⼤⽓环境监测卫星被成功送⼊预定轨道，其上搭载了⾼精度偏振扫描仪和多⻆度偏振相机两种偏振探测传感器，组成了偏振“交⽕”探测体制，通过两种偏振仪器视场、波段和偏振等观测要素的匹配进⾏联合观测，能够进⼀步提升对⼤⽓环境的探测能⼒和精度。
太阳光经过⼤⽓⽓体分⼦、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“敏感指示器”，在地球环境、遥感监测等领域具有独特的应⽤优势。当太阳光进⼊云中时，云粒⼦发⽣反射、折射，会在不同⽅向上散射太阳光，并具有不同的偏振特性。⽔云和冰云的粒⼦形状和折射率等存在显著差异，它们的散射光的偏振特性也不同。
偏振卫星看到“彩虹”对于液态⽔云，在约140度散射⻆（太阳-云粒⼦-卫星，三者之间的夹⻆为约40度时）附近的位置具有最强的偏振特性，其他⻆度的偏振特性会呈现⾼低波动的趋势。因此，偏振卫星在拍摄⽔云时，会在不同的散射⻆等值线处呈现不同的虹圈，140度附近的虹圈最亮，整体看起来就像彩虹⼀样。
⽽对于含有冰晶粒⼦的云，由于粒⼦形状不同于⽔云的球形，散射光的偏振特性会显著不同，因此偏振卫星云图上可以很好地区分⽔云和冰云。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、吸收作⽤下的⽅向特性，对⼤⽓⽓溶胶和云粒⼦形状、尺⼨⼤⼩等物理特征有更好的敏感性。
因此，偏振观测可以有效提⾼卫星遥感的探测维度和精度，改善对⼤⽓颗粒物的探测能⼒，从⽽能够更好地看清楚云、⼤⽓⽓溶胶和雾霾等。偏振“眼镜”⽤途多不仅如此，偏振观测还可以抑制海洋耀斑，提⾼海⾯⽬标识别精度。波浪起伏的海⾯就像⼀⾯⾯破碎的镜⼦，当太阳光线直射在海⾯上，卫星从特定的⻆度观测海⾯时，会形成⼤⾯积的强光反射，即出现耀斑现象。这会导致图像对⽐度降低和场景局部信息丢失，影响卫星图像的识别和分析。
海⾯耀斑具有很强的偏振特性，通过旋转偏振⽚的⽅法，使偏振⽚的检偏⽅向与耀斑主要偏振⽅向垂直，对背景耀斑进⾏抑制，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，卫星戴的偏振“眼镜”也会越来越精细，能够更细微地感受到光波的⽅向特性，增加对光携带信息的感知和解析能⼒！本⽂来⾃《知识就是⼒量》杂志，原标题《卫星也戴“眼镜”——偏振卫星》，撰⽂李正强，有删改，原创作品转载请注明来源。
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