生活中我们戴上偏振太阳镜可抵挡强光，电影院里戴上偏振眼镜可以看3D电影，摄影相机加上偏振镜可以帮助消除背景杂光。那我们太空中的成像仪器戴上偏振“眼镜”能够看到什么呢？
首先我们来说说什么是偏振光。
1、偏振光是什么？
光是一种电磁波，就像手拉着绳子的一端上下振动一样，绳波振荡着向前传播，且振动方向与传播方向垂直。
如下图所示，电磁波向左传播，跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场，它们互相垂直，其中电场的振动方向即电磁波的偏振方向。
电磁波（图片来自网络）
光的偏振——是指光（电磁波）振动方向的不对称性，某些方向振动强，而另一些方向振动弱甚至没有的现象。就像很多条绳子在不同的方向上振动，但振动的强度不同。
2、偏振是如何产生的？
我们平时看到的“太阳光”基本上是向各个方向都有电磁振动分量的“全向光”，即各个方向上的振动都是随机的，为非偏振光。就像是一大堆绳子一块振动，哪个振动方向都有。
日常生活中几乎所有的反射、折射、散射等光学过程都可以对光起偏，也就是让非偏振光变得（部分或者完全的）偏振。
拿反射和折射来讲，当非偏振的自然光经过空气与水的界面时，会发生反射和折射。这里的反射光和折射光必然是偏振的，其偏振的程度与光线传输路径的变化相关。光经过水面反射后在垂直于入射面的光振动多于平行振动，而经折射过后则是在平行于入射面的光振动多于垂直的振动，即这样的光就是偏振光。
3、偏振光能被人眼识别吗？
既然反射，折射，散射都能起偏，那为什么我们从来没察觉到呢？问题在于人眼不具备检偏的功能，即不能像窗户栅栏那样选择性只让某一方向振动的绳波通过一样。无论光的偏振方向如何，对于人眼来说都是一样的，即只感受到光的一个变量特征——强度。
其实检偏并不难，也许只需要相应的分子或者器官是棍子状就行。很多昆虫的眼睛是可以检偏的。大家看到的天空散射的蓝色光也是偏振的，不同方向偏振态不同，只是人眼察觉不到。比如蜜蜂就能够察觉天空的偏振，并以此导航。
4、偏振光如何检测？
既然人眼对光的偏振状态不能分辨，我们只能通过设计的特殊仪器来实现偏振状态的观测。例如，我们让绳子穿过一个栅栏，绳波的传播就会受到栅栏的限制，如果栅栏缝隙的方向与振动方向一致，波就能够通过栅栏。如果缝隙方向与振动方向垂直，波就被阻挡而不能穿过。
同样的，对于可见光光子，如果你在光路上放一个电磁波的防盗栏杆，那么只有一个偏振方向的光子才能完全透过这样的栏杆，别的偏振方向的光子透过去的强度会减少，垂直方向偏振的光子则完全不能透过，这个栏杆就是偏振过滤片。
我们生活中的偏振太阳镜等都装有这样的偏振过滤片。当太阳很大时，地面反射的偏振光很刺眼，可以借助偏振太阳镜过滤掉偏振强光。
又如，生活中在用相机拍摄水面、玻璃等表面光滑的物体时，常常会出现太阳耀斑或反光，这些反射的光线就是偏振光（如图X）。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。
此外，手机屏幕，电脑屏幕，计算器用的液晶显示，也是偏振光。
5、大气粒子对太阳光的起偏作用
太阳光（电磁波）经过大气分子、大气气溶胶（雾霾）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，即将与云粒子发生反射、折射等。在不同方向上得到的散射太阳光，是在云粒子中经历了不同反射和折射路径得到的，具有不同的偏振特性。对于水云和冰云，其粒子形状和折射率等存在显著差异，得到的偏振特性也不同。对于液态水的云，在约140度散射角(太阳－目标－人眼三者之间的夹角为40度时)附近的具有显著的偏振峰值，这主要对应于这一部分光—由水滴粒子对光线由空气折射进入水滴内、由水滴内部一次反射、再由水滴内部折射出空气—即经历了一次内部反射和两次折射。而对于含有冰晶粒子的云，得到的散射光随散射角的增大其偏振度递减。实际上，我们雨后看到的彩虹，均匀水滴对光的一次内部反射和两次折射不仅将白色的可见光分成不同的颜色，每一种颜色也都成为偏振光，只是这种偏振特征我们人眼感受不到罢了。
6、太空对地偏振成像的原理
成像式偏振测量主要是在原有成像系统上，增加偏振检测装置，配合相应的偏振调制器件和偏振测量算法，通过测量光线的各偏振分量，进而得到被测光线的部分或全部偏振信息，用以表征被测光线的偏振状态。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以进一步得到更多的偏振参数图像，如偏振度、非偏振图像等，其结果可用于分析被测物的形状、介质性质等各项特征信息。与传统的非偏振遥感相比，偏振遥感具有独特的优势。
首先，对目标进行偏振观测时，无需标准板便可获得目标偏振度信息，能够实现快速、同步测量；其次，在获得目标偏振信息的同时，还能获得辐射量数据；此外，偏振遥感在解决云与气溶胶的粒径大小及其分布规律上是传统光学遥感方法所无法比拟的；最后，偏振成像可以显著提高目标识别的准确性。
7、偏振成像探测的难点
尽管天基多角度偏振遥感探测对云宏观及微观物理特性以及气溶胶特性等的研究有着极其重要的意义，但偏振测量需要高度专业的传感器和极为严格的定标程序，需要解决通道设置、偏振测量、探测数据处理等关键问题，以确保测量结果是来自观测目标而非测量仪器产生的伪信息，故偏振探测与定标一直是我国航天遥感领域的难点问题。
8、天宫二号的对地偏振成像观测
云是天气系统发生发展的敏感指示器。云粒子相态以及云中粒子大小等是于天气预报、航空飞行保障、气候研究等所需的重要信息。例如，太空中的风云卫星拍摄的可见光云图，可以帮助我们预报天气。但这些可见光图像都没有采用可见光偏振探测通道，无法直接确定云的相态等关键信息。
历经十年技术攻关，多角度偏振成像仪于2016年9月15日搭载于天宫二号空间实验室发射升空。2016年9月22日天宫二号首次实现我国天基大气环境偏振成像(见图X)，观测的主虹特征揭示了海洋层积云的相态信息。
天宫二号多角度偏振成像仪观测的层积云辐射图像(左)与偏振图像(右)(东太平洋、南美洲北部2016年9月22日23:15:44~23:25:44)
上图为天宫二号多角度偏振成像仪对云的观测结果，左图是一张可见光辐射特征观测结果，右图是该仪器特有的偏振通道观测结果。其中的“虹”圈能够反映云的相态以及云中粒子大小的信息。图中的“虹”圈表示云的相态为液相，当“虹”圈越来越多时，说明云中液水粒子的尺度分布更均匀。
9、偏振成像观测的其他遥感应用
光的偏振，即振动方向的不对称性是光除了振辐、频率、相位之外的第四个基本参量特征。在卫星遥感领域，除了辐射分辨率、光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率外，偏振可以成为光学遥感观测的一个独立观测矢量，帮助我们获取更丰富的目标特征信息。
光学遥感（如高光谱、红外）影像，结合偏振技术，增大对比度可达2-3个数量级。对冰雪、水质、环境污染、岩石密度和粗糙度、植被生物量、海面溢油、大气污染粒子探测和遥感大气衰减等多数光学遥感无法探测的现象，偏振遥感有其独特的敏感能力。因此，天宫二号多角度偏振探测体制试验成果，也标志着我国航天对地观测进入偏振成像遥感时代。
来源 | 我们的太空（ID：ourspace0424）
作者 | 姚志刚
编辑 | 麻雨洁
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