随着我国对地观测技术的不断发展，民用陆地观测卫星在多个领域发挥着越来越重要的作用。偏振类载荷作为陆地观测卫星搭载的一类重要的新型载荷，能够提供独特的观测数据，为大气、环境、气象等领域的研究和卫星数据应用提供重要支持。自2018年5月我国民用陆地观测卫星首次搭载偏振类载荷发射以来，至今已有6颗卫星、8台不同类型的偏振载荷在轨运行，后续还有更多偏振载荷的发射计划。目前偏振载荷的类型和数量较多，本文对已在轨的各类偏振载荷进行了系统的分类概述，并对其应用优势进行了深入的对比分析与梳理，旨在帮助不同行业的用户能够结合自身需求及不同类型偏振载荷的技术特点，更加有针对性地选取适合的载荷开展相关行业应用，以充分发挥我国民用陆地观测卫星偏振载荷的潜力，推动其在各领域的广泛应用。

一、我国在轨民用陆地观测卫星偏振类载荷

偏振遥感是基于光的偏振特性的一种遥感技术。光是一种电磁波，其振动方向与传播方向垂直。当光在传播过程中遇到某些介质（如大气中的气溶胶、水中的悬浮颗粒等），会发生散射和反射，这些过程会使光的偏振状态发生变化。偏振遥感载荷能够测量这种偏振状态的变化，来获取目标物体的物理和化学信息。偏振遥感不仅能够获取目标的辐射强度信息，还能同时测量目标的偏振度、偏振角等偏振态。这种多维度的信息获取能力，使得偏振遥感能够更全面地反映目标的物理特性。偏振遥感对大气中的气溶胶、云粒子的形状、尺寸和分布具有更高的敏感性。偏振卫星遥感通过增加观测维度，提升了对目标的识别能力、对大气和云特性的敏感性，以及在复杂环境下的应用效果。这些优势使其在大气环境监测、海洋遥感、目标识别等领域具有广阔的应用前景。

我国在轨陆地观测卫星偏振类载荷主要分为三种类型：多角度偏振成像仪（DPC）、高精度偏振扫描仪（POSP）和偏振扫描大气校正仪（PSAC）。这三种类型偏振载荷各自具备不同的技术优势和擅长的应用领域。

截至2024年8月，8台不同类型的偏振载荷搭载民用陆地观测卫星发射升空，具体信息如表1所示。

二、我国陆地观测卫星各型偏振载荷性能及技术优势

1.多角度偏振成像仪（DPC）及其技术优势

DPC是一种利用大视场、多角度的观测模式探测气溶胶和云的偏振辐射特性的先进载荷。它能够针对同一目标在不同观测角度下进行多次成像，结合偏振与多角度观测方式，获取多维度的气溶胶观测信息。基于大气特性反演模型，DPC可以反演获取全球大气气溶胶和云特性产品。DPC是一种具有多谱段、多角度、多偏振的星载宽视场成像仪，其观测范围覆盖可见光至近红外光谱段，拥有9～17个观测角度，能够探测3个偏振分量，观测幅宽可达1850km。该载荷配置有专门用于探测气溶胶、云、水汽、氧气等大气成分信息的光谱通道，并且具备兼顾陆地和海洋环境的探测能力。它可以探测多波段气溶胶光学厚度（AOD）、细粒子气溶胶光学厚度、云顶高度、柱水汽含量等大气参数，能够实现全球大气气溶胶和云的光学及微物理参数探测，为全球气候变迁研究以及对地观测高精度大气辐射校正提供核心校正参数，同时具备大气细颗粒物污染监测的功能。以GF-5B卫星的DPC载荷为例，其主要性能指标如表2所示。

GF-5B卫星DPC载荷采用1024×1024有效探元，经正弦投影后空间分辨率为3.3km。DPC具有490nm、670nm和865nm3个偏振通道（表2中用P表示）和5个非偏振通道（443nm、565nm、763nm、765nm和910nm）。

图1为GF-5B卫星DPC多角度观测示意图。通过沿轨多次成像，DPC实现针对同一目标多达17个不同角度的观测，获取238个观测量。同时，我国陆地观测卫星的DPC载荷采用了与法国POLDER偏振载荷类似的滤光片-偏振片组合的起偏方式，能够实现多个波段的强度和偏振辐射测量。图1中右侧的彩色条对应不同的光谱波段，其中前五个波段主要用于气溶胶反演，763nm和765nm两个位于O2-A吸收带的波段可用于云识别和云参数的反演，910nm通道主要用于水汽反演。

如表1所示，除了GF-5B卫星DPC载荷，GF-5、DQ-1、CM-1三颗卫星上也搭载有DPC偏振载荷。与GF-5B卫星DPC载荷相比，这3颗卫星上的DPC载荷在星下点分辨率、幅宽和观测角度数量等几项指标的具体参数存在一些差异，但其他设计理念以及L1级数据的处理流程及存储均相似，因此数据的读取与预处理也相同，便于用户软件的继承使用。

2.高精度偏振扫描仪（POSP）及其技术优势

POSP相较于DPC，在大气偏振探测精度方面有了显著提升，能够进行地表偏振去耦合，实现气溶胶层高参数反演。通过与DPC的联合观测，POSP可以将基于DPC获取的整层大气颗粒物浓度向近地表层订正，从而实现近地表PM2.5污染指数的全球监测。

POSP和DPC两型偏振探测载荷常常安装于同一卫星平台，通过视场、波段和时间等观测要素的精确匹配，实现对目标的“集中观测”，即偏振交火观测。这种观测方式能够同时获取高精度大气气溶胶多光谱、多角度和偏振辐射的综合信息。POSP设计有星上定标器，具备在轨偏振定标、太阳漫反射板辐射定标等功能，可获取更高精度的偏振及辐射探测数据，从而通过“偏振交火”对DPC实现精度传递。“POSP+DPC”的偏振交火观测方式，是进行近地表偏振探测反演的重要技术途径，能够显著提升大气气溶胶参数反演的精度和可靠性。图2所示为“POSP+DPC”的偏振交火观测方式。以GF-5B卫星POSP载荷为例，其主要技术指标如表3所示。

GF-5B卫星POSP采用单镜头穿轨扫描方式成像，其9个波段均为偏振通道，并将工作波段拓展到紫外及短波红外波段。GF-5B卫星POSP的星下点分辨率为6.4km，幅宽约为1850km。为了增强POSP的大气粒子观测能力，POSP在PSAC的基础上增设了380nm通道和490nm通道。因同在GF-5B卫星上搭载的DPC载荷已具备910nm的水汽反演通道，GF-5B卫星POSP载荷取消了910nm通道的设置。另外，POSP具有完整的星上定标系统，其辐射和偏振精度较高，辐射定标误差在5%以内，线偏振度的精度为0.005。因此POSP也被用于对同平台搭载的DPC的交叉定标。DPC与POSP通过偏振交火观测模式，可以获取丰富的气溶胶信息，反演更高精度和更丰富的参数。

如表1所示，除了GF-5B卫星POSP载荷，DQ-1卫星上也搭载有POSP偏振载荷。DQ-1卫星POSP载荷与GF-5B卫星POSP载荷在星下点分辨率、幅宽等几项指标的具体数值存在一些差异，但其他设计以及L1级数据的处理与存储均相似，因此数据的读取与预处理也相同，便于用户软件的继承使用。

3.偏振扫描大气校正仪（PSAC）及其技术优势

PSAC与POSP类似，均为单角度观测的偏振载荷，但两者的主要探测任务不同，因此在通道设置以及幅宽上存在差异。PSAC的主要任务是为同一卫星平台上的主载荷提供准确的大气校正参数。为此，PSAC设置了910nm的水汽吸收通道用于水汽反演，1380nm通道用于卷云探测，其他波段则用于气溶胶光学参数反演。而POSP的主要任务之一是获取高精度的气溶胶参数，其光谱通道更加丰富。凭借较高的定标精度和丰富的光谱信息，POSP理论上具备更强的气溶胶反演能力。以HJ-2A/2B两颗卫星上的PSAC为例，其主要性能指标如表4所示。

HJ-2A/2B两颗卫星上的PSAC的主要任务是为主载荷16m分辨率的CCD相机和高光谱成像仪（HIS）提供准确的AOD和水汽柱浓度（CWV）参数，用于大气校正。PSAC的星下点分辨率为6.4km，幅宽为820km。PSAC提供可见光到短波红外波段的观测，采用穿轨扫描探测，通过时间同步同时获取与主载荷相同视场覆盖相同空间范围的大气多光谱偏振信息，实现对主载荷气溶胶和水汽的高精度探测与反演校正。PSAC的实验室定标精度较高，其中强度观测精度误差在7%以内，线偏振度精度误差在0.005以内，保证了反演模型中输入数据的可靠性。

如表1所示，搭载于我国陆地观测卫星HJ-2A/2B两颗卫星上的PSAC偏振载荷设计完全一样，其L1级数据的处理流程与存储均相似，数据的读取与预处理也相同，便于用户软件的继承使用。

三、三型偏振载荷的典型示范应用

1.基于DPC载荷的全球陆表气溶胶光学厚度反演

2023年4月4日，GF-5B卫星正式投入使用后，该卫星的应用全面展开，开展了基于DPC载荷的AOD产品反演相关工作。对2023年7月19日GF-5B卫星DPC的14轨观测数据，经过偏振定标、云识别及云掩模处理，采用最优波段比值法进行AOD产品反演，得到了全球陆表气溶胶光学厚度产品的空间分布图（图3）。从图3可以看出，全球陆表AOD的空间分布呈现出明显的区域差异。北半球中高纬度地区的AOD相对较低，而低纬度地区，尤其是亚洲、非洲和南美洲的部分地区，AOD较高。这主要是由于这些地区存在大量的工业活动、生物质燃烧以及沙尘天气等因素。此外，图中还可以看到一些明显的污染传输路径，例如，亚洲东部的污染物向西北太平洋传输，非洲中部的污染物向大西洋传输等。这些反演结果为全球大气污染监测和气候变化研究提供了重要的数据支持。

2.基于POSP载荷的全球近地表PM2.5污染指数监测

基于GF-5B卫星POSP载荷与DPC载荷的联合观测数据，通过偏振交火观测模式，实现了全球近地表PM2.5污染指数的监测。对2022年4月的观测数据进行处理，结合大气传输模型和反演算法，得到了全球近地表PM2.5污染指数的月均值空间分布图（图4）。从图4可以看出，全球近地表PM2.5污染主要集中在亚洲、欧洲和北美洲的部分地区，这些地区的工业活动和交通运输频繁，是PM2.5污染的主要来源。此外，一些发展中国家的城市地区也表现出较高的PM2.5浓度，这与当地的能源结构和环境治理水平密切相关。通过POSP与DPC的联合观测，能够为全球大气环境监测和气候变化管理提供重要的数据支持，有助于制定更有效的污染防控策略。

3.基于PSAC载荷的主载荷在轨同步大气校正

以HJ-2A星为例，其搭载的PSAC载荷可以为主载荷16m分辨率的CCD相机提供准确的在轨同步大气校正参数。通过对2021年10月PSAC观测数据进行处理，获取AOD和CWV参数，用于同平台主载荷CCD相机的在轨同步大气校正，校正效果显著。在轨同步大气校正后，消除了大气散射和吸收对地表反射率的影响，显著提升了主载荷的图像质量。同步大气校正后的主载荷数据能够更准确地反映地表的物理和化学特性，为土地利用、环境监测和资源调查等应用提供了高质量的数据支持。

四、结语

以DPC、POSP、PSAC为代表的三型偏振载荷，经过多年的发展与在轨运行验证，其性能稳定且可靠，辐射和偏振精度不断提升，在轨表现良好，持续获取了大量高质量的全球单角度和多角度偏振观测影像数据。这三种偏振载荷面向不同的应用场景与需求，各具技术优势和应用潜力，为我国民用陆地观测卫星在大气环境监测、气候变化研究、定量遥感等多个领域提供了有力的技术支持。偏振类载荷作为我国陆地观测卫星家族中的重要新型载荷，其示范应用对推动国产陆地观测卫星在各相关行业的广泛应用具有十分重要的意义。未来，随着更多偏振载荷的发射以及相关反演技术的不断进步，我国民用陆地卫星偏振载荷的应用前景将更加广阔，有望在更多领域发挥更大的作用，为我国的生态环境保护、气候变化应对以及国家“双碳”目标实施提供更有力的保障。

来源：卫星应用微信公众号