从陈锟山“投共”说开去 台湾合成孔径雷达发展

彭海

台湾媒体报道，岛内中央大学通讯系统研究中心主任陈锟山于2013年8月离职，前往中国大陆，并入选大陆吸收海外人才的“千人计划”，在“遥感科学国家重点实验室”任职。由于陈锟山是台湾乃至亚洲遥感测绘领域的顶尖人才，曾担任中央大学太空及遥测研究中心、通讯系统研究中心及前瞻科技研究中心主任，长期参与“中科院”、“国防部电展室”及“国安局”的研究计划，仅在台湾“科技部”官网上列出的近20年所主导的研究项目就多达102项，总金额5.2亿元（新台币，下同），因此他的离去引发岛内关于军事机密外泄大陆的猜疑。

随着陈锟山“投共风波”持续发酵，台湾“国防部”不得不出面澄清，强调陈锟山在前几年与交通大学、元智大学、联合大学等参与的“中科院”委托研究项目以及“国防部电展室”的评估案，都属于基础性学术合作领域，并非武器关键技术研发，因此无涉敏感性。此外，“中科院”委托的研究案，每年年终时都会公开举行论文发表，足见不具有敏感性。台湾“国安局”也跟着表示，他们对新技术发展都会先行切割研究分项，再委托学术单位进行基础研究，并与“国安局”实际工作进行隔离，因此陈锟山的研究内容不涉“国安机敏”。2014年5月28日，到“立法院”接受质询的新任“国安局长”李翔宙则表示，陈锟山到大陆任职，对大陆确有帮助，但对台湾安全没有影响。那么，陈锟山去职投奔大陆，实情是否真如“国防部”、“国安局”所言对台湾没有影响吗？

陈锟山其人

2006年12月4日，陈锟山获得象征电机工程界最高荣誉的2007年IEEE会士（IEEE Fellow，国际电机电子工程师协会会士），他也成为遥感测绘（Remote Sensing）领域中首位获此殊荣的台湾学者。时任中央大学校长李罗权称，陈锟山的主要研究领域是合成孔径雷达图像分析技术，不但在台湾首屈一指，更在世界上占有一席之地。李罗权在2013年底访问日本时，日方还提出希望中央大学太遥中心协助提高合成孔径雷达图像分析技术。知情人士称，陈锟山的主要研究领域是建立“微波散射模型”，经由地表探测，了解土壤含水量，由此了解全球气候变化与农业发展。陈锟山还将合成孔径雷达（SAR）图像用于地质勘探、海洋监测、地貌萃取，或探测地层下陷、地表破裂、港湾船只等，无论对军事还是民生都有重大影响。

2001年8月至2004年7月，陈锟山担任中央大学太遥中心主任，时值台湾军方推进“浩全项目”，即台湾购买以色列国际卫星图像公司 EROS-A1商用卫星的部分区域控制权，中央大学太遥中心就是卫星信号接收站，陈锟山对整个运作流程非常清楚。2002年7月31日，台湾“总统”陈水扁在“国安局长”蔡朝明陪同下，秘密视察中央大学太遥中心和“国安局”设在中央大学的“前瞻通信实验室”（即陈锟山后来担任主任的“前瞻科技研究中心”前身），参观EROS-A1图像接收处理作业流程，当时就是由陈锟山接待的。陈水扁视察当天，“国安局”和太遥中心还赠送陈水扁一幅摄于2001年10月5日的台南县官田乡西庄村彩色卫星图像，那里正是阿扁的老家。

很显然，从陈锟山在中央大学的任职和多年主持多项敏感单位委托的研究项目可知，他与岛内“国安”、军情部门关系密切，因此他投奔大陆的举动，对台湾完全没有影响很难令人信服，但影响层面有多大，则要从他的专长，即合成孔径雷达图像分析技术着手了解。

什么是合成孔径雷达？

普通人可能不清楚雷达除了探测目标外，也能产生目标物的外观图像，这就是雷达执行主动遥感测绘的原理，而合成孔径雷达则是雷达系统设计的延伸。

合成孔径雷达（Synthetic-Aperture Radar，SAR）属于一种微波成像雷达，通过由安装雷达天线在卫星或飞机等平台上，应用移动时所产生的多普勒效应原理，合成较大的等效天线孔径，得以改善方位方向空间分辨率。该雷达是不受昼夜气候影响的主动式遥感测绘系统，已被广泛应用于环境保护、灾害监测与地图测绘等。合成孔径的原理是由英国剑桥大学卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory）的马丁·里尔（Martin Ryle）教授发现的，他因此获得1974年诺贝尔物理奖。早在1951年，美国固特异公司就提出使用多普勒分析办法来改善机载雷达方位分辨率。1953年7月，美国人成功获得第一张合成孔径雷达图像，1957年美国使用光学模拟处理器，做出X波段雷达的第一幅完全聚焦的正侧视条带工作模式的合成孔径雷达图像。由于当时的计算机速度还不能满足处理合成孔径雷达成像的要求，因此只好使用光学模拟成像。

一幅合成孔径雷达图像的原始数据量通常是上亿字节，且合成孔径雷达成像的算法复杂，每个像素需要1000次左右的浮点运算。20世纪70年代电子技术的迅速发展，为合成孔径雷达图像处理提供了硬件基础，合成孔径雷达的信号处理也由模拟式转向数字式处理。80年代美国研制一系列先进的多波段、多极化、多入射角的机载合成孔径雷达系统与实时成像处理器，合成孔径雷达技术的发展因此突飞猛进，美国空军的E-8“联合星”（J-STARS）指挥机系统就是当时的杰作。

合成孔径雷达图像提供地表物对于电磁波的背向散射回波强弱，在未经辐射校正的图像数据上，每个像素只是记录回波强弱信号，其中伴随着不同的天线增益、入射角与斜距展度等系统性效应，必须经过适当的辐射校正图像，每个像素才能显现地表物的散射特性。也就是说，必须以数字方式来处理及储存雷达反射脉波的强度与相位数据，因此必须使用昂贵的专业软件进行复杂的合成处理过程，才能获得极高的空间分辨率雷达图像，后续作业处理比光学图像复杂，判读人员也需要更多训练。endprint

不可或缺的天眼

遥感测绘卫星若以对遥感测绘图像的成像能量来源分类，可分为“被动”及“主动”两种。被动遥感测绘是指量测目标物本身发出的能量而形成图像，例如观测目标物反射太阳光的“可见光”图像，或观测目标物发射热辐射的“红外光”热图像。主动遥感测绘是指遥感测绘仪器本身对外发出成像的能量，传感器量测目标物反射此能量而形成图像，例如声波/超声波图像、声呐、雷达等。合成孔径雷达卫星是主动发射雷达波，所以是属后者。

对于光学仪器，由于地面与卫星的距离及感光点大小是固定的，如果希望分辨率越高，仪器焦距就要越大，因此仪器就要越大越重，而卫星轨道一旦固定，分辨率就固定了。对于合成孔径雷达而言，分辨率受频率及天线等影响，与卫星飞行高度无直接关系，高分辨率并不非要对应大天线或大卫星，也不一定对应卫星的技术复杂性。在正常情况下，1000千米轨道高度上运行的人造卫星，若天线宽度为10米，雷达图像分辨率为10千米，很难满足地表监测的需求，后来才发展出合成孔径雷达技术来提升图像分辨率。

合成孔径雷达卫星的基本原理是在卫星运行时，通过由快速地重复发射雷达波，再将这些连续且重叠的回波数据加以解算，就能达到提升图像分辨率的效果。这个方法有点像在太空中沿着人造卫星轨道建造一座庞大的的虚拟天线，再利用这座庞大的虚拟“合成孔径”天线把雷达分辨率提高千倍以上。

另外，光学图像是以颜色和明暗来分辨目标和观察外形，雷达则是完全的“色盲”，但经过数据处理，可对不同的雷达反射层次加以不同的颜色，使之接近光学图像，还可以像“X光”穿透地表植被，探测地表的粗糙度和获取深度信息，同时还能凸显地表材质等特征。在对海面监测时，因合成孔径雷达对目标的表面材质可以明显分辨，所以可以明显描绘出海上的油污，但在光学图像中，油污与海面几乎是相同颜色。合成孔径雷达还能明显分辨目标表面的起伏，所以可以清晰看到海浪。

合成孔径雷达卫星的其他优点，还包括可穿透云层不受天气影响，主动式系统不受太阳照射影响，可以在夜间执行任务。另外，合成孔径雷达卫星的轨道选择，不必考虑普通光学成像卫星的高倾角太阳同步轨道，可大幅缩短重复侦察照相时间。

合成孔径雷达卫星的军事用途

普通光学成像卫星看不透云雾烟尘和各式伪装，也无法在夜间拍摄，因此单靠光学成像卫星监控敌人军事动态很容易产生极大的盲区，这时就需要合成孔径雷达卫星来补足。更重要的是，合成孔径雷达卫星图像不仅可识别目标表面的外观，雷达反射波数据经过进一步处理后，还可获得很多相关信息，包括目标物是否在移动（即可探测动态目标）、目标物外部材质（植物、金属或土木材料）。用于军事监控的话，它能看穿伪装网和工事下的装备，例如地下洞库、机堡、水下航道和潜艇涵洞、地下指挥所、弹药油库等，获得比光学卫星图像更多的信息。

由于合成孔径雷达卫星高悬太空，适于大范围探测，因此对水面舰艇和水下潜艇的行踪有很强的监控能力。例如水下10～30米深度通常是潜望镜深度，是潜艇发射鱼雷、巡航导弹、通风换气及实施通信的最佳深度，合成孔径雷达卫星可探测到平均水深30米以内浅海区域的潜艇潜航波纹。不过合成孔径雷达卫星图像分辨率仍不及光学成像卫星，通常会与光学成像卫星搭配，组成完整的太空监视系统。

1998年朝鲜发射大浦洞-1号弹道导弹飞越日本上空后，日本决定发射侦察卫星监控朝鲜，这个由4颗卫星组成的太空监视系统，除了两颗分辨率达到 1米的光学成像卫星外，还有两颗分辨率约5米的合成孔径雷达卫星，以达到对朝鲜军事动态进行昼夜监控的目的。2003年，这4颗卫星成功发射两颗（1颗光学图像和1颗合成孔径雷达卫星），但在同年11月接续发射剩余两颗时却因火箭发射失败而告吹。2006年9月，日本将第三颗光学成像卫星送入太空，2007年2月24日发射最后一颗合成孔径雷达卫星，才使得日本太空监视系统构建完成。从日本侦察卫星的部署来看，日本太空监视系统就是以光学成像卫星和合成孔径雷达卫星互补不足。

至于中国大陆，中国科学院电子所在1979年获得首张合成孔径雷达图像，分辨率为180米。大陆也在商用公务喷气机上搭载合成孔径雷达，进行空中国土资源调查，并对考古科研工作提供帮助，像新疆楼兰国遗址、四川三星堆、山东银雀山汉墓等均为其成果。大陆在1986年实施的“国家高技术研究发展计划”（863计划）中，明确计划期间要发展能在5万米高空观测到目标的高性能机载合成孔径雷达，即“高效能航空SAR遥感应用系统”。除了机载合成孔径雷达，大陆在研发合成孔径雷达卫星也不遗余力，2006年4月27日，大陆在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭，成功将“遥感卫星一号”送入预定轨道。美国詹姆斯敦基金会主办的《中国简报》称，“遥感卫星一号”虽用于科学试验、国土资源普查、农作物估产和防灾减灾等科研和国民经济发展领域，但它还有一个军方代号，即“尖兵五号”，其携带的合成孔径雷达在L波段工作，最大分辨率为5米，图像宽幅达40千米。2010年8月10日，太原卫星发射中心将“遥感十号”卫星送入轨道，这是大陆第二代合成孔径雷达卫星，北京航空航天大学一份报告透露，该卫星项目是大陆“十一五计划”（2006-2010年）的一部分。目前大陆最新的遥感系列卫星，是2013年11月20日发射的“遥感十九号”卫星。除了“遥感”系列的合成孔径雷达卫星外，2012年11月19日发射升空“环境一号”卫星系统，其中的“环境一号C”卫星是大陆首颗民用合成孔径雷达卫星。“环境一号C”卫星配置的S波段合成孔径雷达，分辨率5米，具有全天时、全天候的成像能力，可不受天气影响。而除了合成孔径雷达卫星外，“遥感”系列卫星中也有多颗光学成像卫星，显示中国大陆正和日本一样利用不同分辨率的光学和合成孔径雷达卫星交互运用，组成太空监视系统。当整个太空监视系统组建完成后，除了可对大陆境内环境变化与灾害进行24小时监测外，还可掌控台湾全岛和南海航行船只的移动轨迹。endprint

由此可知，大陆研制合成孔径雷达卫星正不断推陈出新，面对日渐增多的雷达图像数据，如何从中撷取所需的情报资料成为一大挑战。所以，大陆为何积极争取陈锟山，很可能是借重陈锟山的专长，提升大陆对合成孔径雷达图像的解析能力。

台湾对合成孔径雷达卫星图像的运用

目前，台湾虽没有自主的合成孔径雷达卫星，但外购合成孔径雷达卫星图像时间却很早，中央大学太空及遥感测绘中心早在1994年就开始接收欧洲航天局（ESA）的ERS-1合成孔径雷达卫星图像。台湾军方也十分重视合成孔径雷达卫星图像的效能，“军情局”曾于1997年7月2日至8月20日委托太遥中心开办“合成孔径雷达教育训练课程”，为监控大陆军事动态培养人才。

1998年4月14日，法国SPOT卫星拍到大陆甘肃省嘉峪关东北方约120千米的鼎新军用机场附近出现一个新机场，经仔细比对，该机场规模、跑道、滑行道等设施配置与台中清泉岗机场一模一样。台湾军方立刻调出前三天（4月11日）加拿大Radarsat资源卫星拍到的合成孔径雷达图像交叉比对，发现这座与清泉岗相仿的机场竟没有显示在雷达图像上。原来，机场跑道和停机坪等设施是一片平坦地面，能镜面反射雷达波，其雷达图像会呈现黑色，如果是不平坦的地面会反射雷达波，使雷达天线收到较强的回波，图像呈现较明亮的颜色。由此判断，该机场的地面并没有真正的设施，整座机场可说是“画”出来的。台军分析，建造这座复制机场，应是为解放军飞行员训练之用，目标不言自明。

从档案来看，陈锟山多次接受台湾军情单位委托，进行合成孔径雷达图像军事用途的研究，例如2004年“国防部电展室”的“合成孔径雷达图像遥感测绘训练课程”、2005年台湾“国防工业发展基金会”发起的“雷达光学遥感测绘图像船只侦（监）测决策及展示系统”、2007年台湾“中科院”的“SAR卫星侦察照相阵地防护之研究”和前瞻通讯实验室（“国安局”）的“卫星合成孔径雷达特定目标自动化识别”、2008年台湾“中科院”的“SAR卫星侦察照相阵地防护验证”、2010年台湾“中科院”的“雷达地表反射系数数据库”等项目。从这些委托研究计划来看，台湾军情单位是运用“攻防”概念进行合成孔径雷达卫星图像运用，即主动探测和被动防护，前文列举的“雷达光学遥感测绘图像船只侦（监）测决策及展示系统”、“卫星合成孔径雷达特定目标自动化识别”和“雷达地表反射系数数据库”属于主动探测，而“SAR卫星侦察照相阵地防护之研究”和“SAR卫星侦察照相阵地防护验证”则属于被动防护，显示台湾军情单位除了想通过合成孔径雷达卫星图像获取情报资料，也要防范别人的合成孔径雷达卫星监测自身。

台湾发展合成孔径雷达卫星的构想

合成孔径雷达卫星与光学成像卫星的技术不同，因此着眼的任务理念也不一样。简单来说，光学成像卫星的任务是着重执行“辨识”目标物，而合成孔径雷达卫星则可以执行“监控”的任务。例如可以光学成像卫星图像资料详细绘出山区地形模型，利用合成孔径雷达卫星监控土石流的发生，作为实时通报，减少生命及财产的损失。所以光学成像卫星和合成孔径雷达卫星是互补的，若能同时拥有光学成像卫星和合成孔径雷达卫星，效益将是倍数增长。另外，合成孔径雷达卫星的任务因着重在监控，系统分辨率的需求上，可以不如光学成像卫星的精细，在相关技术的获得上将较为有利。

早在1999年12月15日，当时“行政院”所属“国家科学委员会”（简称“国科会”）在“立法院科技与信息委员会”上提交“太空科技发展计划报告”时，就将合成孔径雷达卫星列为未来适合台湾发展的三种卫星之一，另两种分别为光学遥感卫星和多用途小卫星星座。2004年，台湾“国家太空中心”的前身“太空计划室”对符合自身需求的合成孔径雷达卫星进行研究，预定任务需求包括监控台湾自然灾害发生情况、监控台湾附近水域渔船走私等，由于是首次尝试，因此卫星技术档次不能太高，照片分辨率需求在3～5米，因为需要监控大范围，所以只要“扫描”（scan）操作模式，可使合成孔径雷达的主动相控阵天线设计也较为简单。另外考虑到项目预算限制，系统设计还需注意：卫星轨道不需要太高，以减少电力需求；采用X波段雷达，以小面积天线达到分辨率需求；刈幅（传感器能测得的图像宽度）不要太大，以减小相控阵天线的面积。

当时“太空计划室”还以“福卫二号”卫星作为合成孔径雷达卫星的设计基础，推算出合成孔径雷达卫星轨道若为500千米高度，40度倾角，就能得到“较好视野”、“适度轨道高度”和“较高再访频率”。根据上述需求和设计理念，“太空计划室”研究报告提出适合台湾的合成孔径雷达卫星的规划：轨道高度约500千米，40度倾角（对台湾最合适的拍摄频率），每天可通过台湾附近7次，南北涵盖由日本至澳大利亚。图像分辨率3米，任务寿命8年。另外，考虑到在500千米高度的轨道，会在倾角1.5度左右下降59千米，必须进行一次轨道提升修正，对于750千克重的卫星，轨道提升修正60千米需要 11千克燃料，考虑卫星8年的任务寿命，卫星需要携带33千克燃料。endprint