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？

01

“偏振”看世界  看得更清楚

光是电磁波，既具有波动性（频率、波长），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。

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，每当我们驾车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。

02

漫长的偏振历史

1669年，丹麦科学家拉斯穆·巴多林第一次通过石英晶体发现了双折射——“线条魔法（纸上一条线，透过石英看到两条线）”；1690年，恵更斯在《光论》里对这一物理现象进行了详细的论述，但无法解释；同时代的牛顿对双折射现象的成因进行了猜测，但以失败而告终，因为牛顿用光的粒子性解释这种现象。1803年托马斯·杨著名的杨氏双缝实验证明了光的波动性，到了1808年，“偏振之父”马吕斯在波动光学的基础上完美地解释了双折射现象，并将这种性质称为“偏振”，证实了偏振是光的一种固有特性，于第二年发表论文提出了著名的马吕斯定律，从此开启了人类认知世界的又一个新维度。

由于偏振是波动光学的特性，需要用波动方程来描述，导致在实际测量、描述、应用计算中过于繁琐，很难用。于是，天才数学家斯托克斯于1852年提出了著名的 Stoke向量来描述偏振光，使得偏振变得简洁明了。你看，用四个参量S0、S1、S2、S3（也常用I、Q、U、V表示）组成4×1的列向量来确定光波的偏振态，比起复杂的波动函数简单多了。我们不禁感叹，数学太重要了！

Stokes矢量

这才刚刚起步。1892年，庞加莱提出了能够直观描述偏振态的Poincaré球表示法，1941年，琼斯引入Jones向量来描述，但该方法具有一定局限性，其只适用于完全偏振光，若想对于部分偏振光或非偏光进行计算，则需使用穆勒矩阵。Mueller矩阵由美国物理学家穆勒于1943年提出，用于表示斯托克斯矢量之间的变换，矩阵由4×4共16个参量构成。对于一般介质，通常各个穆勒矩阵元都具有特定的物理意义。无论是Stokes向量还是Mueller矩阵，都能够很好地描述偏振特性，在偏振成像中也扮演着重要角色。

以上是对偏振的“古老”回顾。

03

戴上偏振“眼镜”的卫星

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、居民地和建筑物等。在地图上一般用规定符号表示）呢？答案是肯定的！

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长，例如可见光、短波红外（波长范围在约1～3微米的电磁辐射）、中红外（波长范围在约3～5微米的电磁辐射）、热红外（波长范围在约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，其上搭载了多角度偏振相机，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角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。

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给卫星戴上“偏振立体眼镜”的人

“生活中，我们在电影院里戴上偏振眼镜可以看3D电影。那么，我的工作就是给卫星戴上‘偏振立体眼镜’，让我们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。”来自中国科学院空天信息创新研究院的李正强这样介绍自己的科研内容。

“我之所以能够从事这项激动人心的工作，其实也源于我作出的人生几次重大选择。”李正强告诉我们，初识偏振卫星，源于20多年前他的导师前瞻性判断：在未来应对气候变化的过程中，给卫星戴上“偏振立体眼镜”将发挥重要作用。

当时，李正强学习的专业方向与此相关，导师鼓励他去国外深造。但是，也有人建议他不要研究遥感应用，而是研究更容易出成果的农业信息。他研究生涯的第一个重大抉择出现了：是学习农业信息？还是遥感应用？

“虽然，当时的我对遥感应用还没有‘来电’，但想到学习它能够进一步了解应对气候变化所需的偏振卫星，最终我选择了学习遥感应用。”李正强表示，现在看来，这段遥感应用的学习经历，为他奠定了未来从事偏振卫星遥感研究的扎实基础。

就这样，李正强系统学习遥感应用并持续不断地研究偏振卫星，取得了不少进展。直到2009年夏天，第二个重要选择的到来：是留在国外工作？还是回国从零开始展开全新研究？

李正强告诉我们，那时候，我国还没有偏振卫星遥感研究基础。设计什么样的卫星？实现哪些应用目标？开展什么样的试验等等都有待回答。机缘巧合，当时的中科院遥感应用研究所所长来到李正强所在的城市开会，异国他乡，从二人彻夜长谈中，李正强了解到国家发展偏振卫星的迫切需求和决心，这正好与他长期的想法不谋而合。

因此，李正强又一次作出重大选择，当即决定回国工作。当年，他在中科院遥感所环境遥感应用技术研究室工作，协助所里开展偏振卫星立项工作。

时间到了2017年，在国际偏振观测进展研讨会上，50多位国外偏振领域权威专家参观了李正强所工作的卫星实验室。“因为次年，我们的高分五号（GF-5）偏振卫星就要发射了，相关技术也基本都已成熟。”美国荣耀号偏振卫星的首席科学家听了GF-5号的介绍后感慨，外国人在偏振卫星上做到的，中国人也已经做到了！

厚积薄发。2018年5月9日，我国GF-5号卫星搭载中国第一代偏振载荷发射成功，实现了气溶胶和云微观参数监测反演的突破；2021年9月7日和2022年4月16日，我国GF5-02卫星和DQ-1卫星分别搭载新一代偏振交火传感器，在太原卫星发射中心发射成功。

如今，李正强依然选择“战斗”在科研一线。

2020年9月，中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。“为了准确评估世界各国的温室气体减排情况，提高我国碳排放量评估的主动权，发展全球覆盖、快速监测的碳卫星迅速成为新的国家重大需求。”李正强表示，根据测算，碳盘点需要的精度是1ppm，这相当于要求测量大气中百万分之一变化的超高精度，偏振卫星遥感是达到这一精度的关键。

“经历了这些之后，我最大的感悟是，以国家需求为准则，面临人生重大关头才能正确作出抉择。”李正强说。

现在，我国已陆续发射7颗偏振卫星进入太空轨道，初步实现了给卫星戴上“偏振立体眼镜”的目标，它为更立体地俯瞰并勘察生态环境，促进社会经济发展提供了一双智慧的眼睛。

中国气溶胶技术创新奖、中国环境科学学会青年科学家奖、李小文遥感科学青年奖……李正强也在这一路上收获满满。然而，他最为自豪的不是这些奖项，而是自己做对了选择。“对我个人而言，我非常荣幸能够通过自己的每一次选择，融入国家航天事业发展的浪潮之中，在空天信息遥感领域开展自己的研究，为满足国家重大需求作出贡献。”

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偏振卫星看到“彩虹”

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。

对于液态水云，在约140度散射角（太阳-云粒子-卫星，三者之间的夹角为约40度时）附近的位置具有最强的偏振特性，其他角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，会在不同的散射角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。

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偏振“眼镜”用途多

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。

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，卫星从特定的角度观测海面时，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！

文章来源： 中科院物理所，人民网，知识就是力量