從陳錕山“投共”說開去 臺灣合成孔徑雷達發(fā)展

彭海

臺灣媒體報道，島內(nèi)中央大學通訊系統(tǒng)研究中心主任陳錕山于2013年8月離職，前往中國大陸，并入選大陸吸收海外人才的“千人計劃”，在“遙感科學國家重點實驗室”任職。由于陳錕山是臺灣乃至亞洲遙感測繪領(lǐng)域的頂尖人才，曾擔任中央大學太空及遙測研究中心、通訊系統(tǒng)研究中心及前瞻科技研究中心主任，長期參與“中科院”、“國防部電展室”及“國安局”的研究計劃，僅在臺灣“科技部”官網(wǎng)上列出的近20年所主導的研究項目就多達102項，總金額5.2億元（新臺幣，下同），因此他的離去引發(fā)島內(nèi)關(guān)于軍事機密外泄大陸的猜疑。

隨著陳錕山“投共風波”持續(xù)發(fā)酵，臺灣“國防部”不得不出面澄清，強調(diào)陳錕山在前幾年與交通大學、元智大學、聯(lián)合大學等參與的“中科院”委托研究項目以及“國防部電展室”的評估案，都屬于基礎(chǔ)性學術(shù)合作領(lǐng)域，并非武器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，因此無涉敏感性。此外，“中科院”委托的研究案，每年年終時都會公開舉行論文發(fā)表，足見不具有敏感性。臺灣“國安局”也跟著表示，他們對新技術(shù)發(fā)展都會先行切割研究分項，再委托學術(shù)單位進行基礎(chǔ)研究，并與“國安局”實際工作進行隔離，因此陳錕山的研究內(nèi)容不涉“國安機敏”。2014年5月28日，到“立法院”接受質(zhì)詢的新任“國安局長”李翔宙則表示，陳錕山到大陸任職，對大陸確有幫助，但對臺灣安全沒有影響。那么，陳錕山去職投奔大陸，實情是否真如“國防部”、“國安局”所言對臺灣沒有影響嗎？

陳錕山其人

2006年12月4日，陳錕山獲得象征電機工程界最高榮譽的2007年IEEE會士（IEEE Fellow，國際電機電子工程師協(xié)會會士），他也成為遙感測繪（Remote Sensing）領(lǐng)域中首位獲此殊榮的臺灣學者。時任中央大學校長李羅權(quán)稱，陳錕山的主要研究領(lǐng)域是合成孔徑雷達圖像分析技術(shù)，不但在臺灣首屈一指，更在世界上占有一席之地。李羅權(quán)在2013年底訪問日本時，日方還提出希望中央大學太遙中心協(xié)助提高合成孔徑雷達圖像分析技術(shù)。知情人士稱，陳錕山的主要研究領(lǐng)域是建立“微波散射模型”，經(jīng)由地表探測，了解土壤含水量，由此了解全球氣候變化與農(nóng)業(yè)發(fā)展。陳錕山還將合成孔徑雷達（SAR）圖像用于地質(zhì)勘探、海洋監(jiān)測、地貌萃取，或探測地層下陷、地表破裂、港灣船只等，無論對軍事還是民生都有重大影響。

2001年8月至2004年7月，陳錕山擔任中央大學太遙中心主任，時值臺灣軍方推進“浩全項目”，即臺灣購買以色列國際衛(wèi)星圖像公司 EROS-A1商用衛(wèi)星的部分區(qū)域控制權(quán)，中央大學太遙中心就是衛(wèi)星信號接收站，陳錕山對整個運作流程非常清楚。2002年7月31日，臺灣“總統(tǒng)”陳水扁在“國安局長”蔡朝明陪同下，秘密視察中央大學太遙中心和“國安局”設(shè)在中央大學的“前瞻通信實驗室”（即陳錕山后來擔任主任的“前瞻科技研究中心”前身），參觀EROS-A1圖像接收處理作業(yè)流程，當時就是由陳錕山接待的。陳水扁視察當天，“國安局”和太遙中心還贈送陳水扁一幅攝于2001年10月5日的臺南縣官田鄉(xiāng)西莊村彩色衛(wèi)星圖像，那里正是阿扁的老家。

很顯然，從陳錕山在中央大學的任職和多年主持多項敏感單位委托的研究項目可知，他與島內(nèi)“國安”、軍情部門關(guān)系密切，因此他投奔大陸的舉動，對臺灣完全沒有影響很難令人信服，但影響層面有多大，則要從他的專長，即合成孔徑雷達圖像分析技術(shù)著手了解。

什么是合成孔徑雷達？

普通人可能不清楚雷達除了探測目標外，也能產(chǎn)生目標物的外觀圖像，這就是雷達執(zhí)行主動遙感測繪的原理，而合成孔徑雷達則是雷達系統(tǒng)設(shè)計的延伸。

合成孔徑雷達（Synthetic-Aperture Radar，SAR）屬于一種微波成像雷達，通過由安裝雷達天線在衛(wèi)星或飛機等平臺上，應用移動時所產(chǎn)生的多普勒效應原理，合成較大的等效天線孔徑，得以改善方位方向空間分辨率。該雷達是不受晝夜氣候影響的主動式遙感測繪系統(tǒng)，已被廣泛應用于環(huán)境保護、災害監(jiān)測與地圖測繪等。合成孔徑的原理是由英國劍橋大學卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）的馬丁·里爾（Martin Ryle）教授發(fā)現(xiàn)的，他因此獲得1974年諾貝爾物理獎。早在1951年，美國固特異公司就提出使用多普勒分析辦法來改善機載雷達方位分辨率。1953年7月，美國人成功獲得第一張合成孔徑雷達圖像，1957年美國使用光學模擬處理器，做出X波段雷達的第一幅完全聚焦的正側(cè)視條帶工作模式的合成孔徑雷達圖像。由于當時的計算機速度還不能滿足處理合成孔徑雷達成像的要求，因此只好使用光學模擬成像。

一幅合成孔徑雷達圖像的原始數(shù)據(jù)量通常是上億字節(jié)，且合成孔徑雷達成像的算法復雜，每個像素需要1000次左右的浮點運算。20世紀70年代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為合成孔徑雷達圖像處理提供了硬件基礎(chǔ)，合成孔徑雷達的信號處理也由模擬式轉(zhuǎn)向數(shù)字式處理。80年代美國研制一系列先進的多波段、多極化、多入射角的機載合成孔徑雷達系統(tǒng)與實時成像處理器，合成孔徑雷達技術(shù)的發(fā)展因此突飛猛進，美國空軍的E-8“聯(lián)合星”（J-STARS）指揮機系統(tǒng)就是當時的杰作。

合成孔徑雷達圖像提供地表物對于電磁波的背向散射回波強弱，在未經(jīng)輻射校正的圖像數(shù)據(jù)上，每個像素只是記錄回波強弱信號，其中伴隨著不同的天線增益、入射角與斜距展度等系統(tǒng)性效應，必須經(jīng)過適當?shù)妮椛湫Ｕ龍D像，每個像素才能顯現(xiàn)地表物的散射特性。也就是說，必須以數(shù)字方式來處理及儲存雷達反射脈波的強度與相位數(shù)據(jù)，因此必須使用昂貴的專業(yè)軟件進行復雜的合成處理過程，才能獲得極高的空間分辨率雷達圖像，后續(xù)作業(yè)處理比光學圖像復雜，判讀人員也需要更多訓練。endprint

不可或缺的天眼

遙感測繪衛(wèi)星若以對遙感測繪圖像的成像能量來源分類，可分為“被動”及“主動”兩種。被動遙感測繪是指量測目標物本身發(fā)出的能量而形成圖像，例如觀測目標物反射太陽光的“可見光”圖像，或觀測目標物發(fā)射熱輻射的“紅外光”熱圖像。主動遙感測繪是指遙感測繪儀器本身對外發(fā)出成像的能量，傳感器量測目標物反射此能量而形成圖像，例如聲波/超聲波圖像、聲吶、雷達等。合成孔徑雷達衛(wèi)星是主動發(fā)射雷達波，所以是屬后者。

對于光學儀器，由于地面與衛(wèi)星的距離及感光點大小是固定的，如果希望分辨率越高，儀器焦距就要越大，因此儀器就要越大越重，而衛(wèi)星軌道一旦固定，分辨率就固定了。對于合成孔徑雷達而言，分辨率受頻率及天線等影響，與衛(wèi)星飛行高度無直接關(guān)系，高分辨率并不非要對應大天線或大衛(wèi)星，也不一定對應衛(wèi)星的技術(shù)復雜性。在正常情況下，1000千米軌道高度上運行的人造衛(wèi)星，若天線寬度為10米，雷達圖像分辨率為10千米，很難滿足地表監(jiān)測的需求，后來才發(fā)展出合成孔徑雷達技術(shù)來提升圖像分辨率。

合成孔徑雷達衛(wèi)星的基本原理是在衛(wèi)星運行時，通過由快速地重復發(fā)射雷達波，再將這些連續(xù)且重疊的回波數(shù)據(jù)加以解算，就能達到提升圖像分辨率的效果。這個方法有點像在太空中沿著人造衛(wèi)星軌道建造一座龐大的的虛擬天線，再利用這座龐大的虛擬“合成孔徑”天線把雷達分辨率提高千倍以上。

另外，光學圖像是以顏色和明暗來分辨目標和觀察外形，雷達則是完全的“色盲”，但經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可對不同的雷達反射層次加以不同的顏色，使之接近光學圖像，還可以像“X光”穿透地表植被，探測地表的粗糙度和獲取深度信息，同時還能凸顯地表材質(zhì)等特征。在對海面監(jiān)測時，因合成孔徑雷達對目標的表面材質(zhì)可以明顯分辨，所以可以明顯描繪出海上的油污，但在光學圖像中，油污與海面幾乎是相同顏色。合成孔徑雷達還能明顯分辨目標表面的起伏，所以可以清晰看到海浪。

合成孔徑雷達衛(wèi)星的其他優(yōu)點，還包括可穿透云層不受天氣影響，主動式系統(tǒng)不受太陽照射影響，可以在夜間執(zhí)行任務(wù)。另外，合成孔徑雷達衛(wèi)星的軌道選擇，不必考慮普通光學成像衛(wèi)星的高傾角太陽同步軌道，可大幅縮短重復偵察照相時間。

合成孔徑雷達衛(wèi)星的軍事用途

普通光學成像衛(wèi)星看不透云霧煙塵和各式偽裝，也無法在夜間拍攝，因此單靠光學成像衛(wèi)星監(jiān)控敵人軍事動態(tài)很容易產(chǎn)生極大的盲區(qū)，這時就需要合成孔徑雷達衛(wèi)星來補足。更重要的是，合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像不僅可識別目標表面的外觀，雷達反射波數(shù)據(jù)經(jīng)過進一步處理后，還可獲得很多相關(guān)信息，包括目標物是否在移動（即可探測動態(tài)目標）、目標物外部材質(zhì)（植物、金屬或土木材料）。用于軍事監(jiān)控的話，它能看穿偽裝網(wǎng)和工事下的裝備，例如地下洞庫、機堡、水下航道和潛艇涵洞、地下指揮所、彈藥油庫等，獲得比光學衛(wèi)星圖像更多的信息。

由于合成孔徑雷達衛(wèi)星高懸太空，適于大范圍探測，因此對水面艦艇和水下潛艇的行蹤有很強的監(jiān)控能力。例如水下10～30米深度通常是潛望鏡深度，是潛艇發(fā)射魚雷、巡航導彈、通風換氣及實施通信的最佳深度，合成孔徑雷達衛(wèi)星可探測到平均水深30米以內(nèi)淺海區(qū)域的潛艇潛航波紋。不過合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像分辨率仍不及光學成像衛(wèi)星，通常會與光學成像衛(wèi)星搭配，組成完整的太空監(jiān)視系統(tǒng)。

1998年朝鮮發(fā)射大浦洞-1號彈道導彈飛越日本上空后，日本決定發(fā)射偵察衛(wèi)星監(jiān)控朝鮮，這個由4顆衛(wèi)星組成的太空監(jiān)視系統(tǒng)，除了兩顆分辨率達到 1米的光學成像衛(wèi)星外，還有兩顆分辨率約5米的合成孔徑雷達衛(wèi)星，以達到對朝鮮軍事動態(tài)進行晝夜監(jiān)控的目的。2003年，這4顆衛(wèi)星成功發(fā)射兩顆（1顆光學圖像和1顆合成孔徑雷達衛(wèi)星），但在同年11月接續(xù)發(fā)射剩余兩顆時卻因火箭發(fā)射失敗而告吹。2006年9月，日本將第三顆光學成像衛(wèi)星送入太空，2007年2月24日發(fā)射最后一顆合成孔徑雷達衛(wèi)星，才使得日本太空監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)建完成。從日本偵察衛(wèi)星的部署來看，日本太空監(jiān)視系統(tǒng)就是以光學成像衛(wèi)星和合成孔徑雷達衛(wèi)星互補不足。

至于中國大陸，中國科學院電子所在1979年獲得首張合成孔徑雷達圖像，分辨率為180米。大陸也在商用公務(wù)噴氣機上搭載合成孔徑雷達，進行空中國土資源調(diào)查，并對考古科研工作提供幫助，像新疆樓蘭國遺址、四川三星堆、山東銀雀山漢墓等均為其成果。大陸在1986年實施的“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃”（863計劃）中，明確計劃期間要發(fā)展能在5萬米高空觀測到目標的高性能機載合成孔徑雷達，即“高效能航空SAR遙感應用系統(tǒng)”。除了機載合成孔徑雷達，大陸在研發(fā)合成孔徑雷達衛(wèi)星也不遺余力，2006年4月27日，大陸在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征四號乙”運載火箭，成功將“遙感衛(wèi)星一號”送入預定軌道。美國詹姆斯敦基金會主辦的《中國簡報》稱，“遙感衛(wèi)星一號”雖用于科學試驗、國土資源普查、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災減災等科研和國民經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域，但它還有一個軍方代號，即“尖兵五號”，其攜帶的合成孔徑雷達在L波段工作，最大分辨率為5米，圖像寬幅達40千米。2010年8月10日，太原衛(wèi)星發(fā)射中心將“遙感十號”衛(wèi)星送入軌道，這是大陸第二代合成孔徑雷達衛(wèi)星，北京航空航天大學一份報告透露，該衛(wèi)星項目是大陸“十一五計劃”（2006-2010年）的一部分。目前大陸最新的遙感系列衛(wèi)星，是2013年11月20日發(fā)射的“遙感十九號”衛(wèi)星。除了“遙感”系列的合成孔徑雷達衛(wèi)星外，2012年11月19日發(fā)射升空“環(huán)境一號”衛(wèi)星系統(tǒng)，其中的“環(huán)境一號C”衛(wèi)星是大陸首顆民用合成孔徑雷達衛(wèi)星。“環(huán)境一號C”衛(wèi)星配置的S波段合成孔徑雷達，分辨率5米，具有全天時、全天候的成像能力，可不受天氣影響。而除了合成孔徑雷達衛(wèi)星外，“遙感”系列衛(wèi)星中也有多顆光學成像衛(wèi)星，顯示中國大陸正和日本一樣利用不同分辨率的光學和合成孔徑雷達衛(wèi)星交互運用，組成太空監(jiān)視系統(tǒng)。當整個太空監(jiān)視系統(tǒng)組建完成后，除了可對大陸境內(nèi)環(huán)境變化與災害進行24小時監(jiān)測外，還可掌控臺灣全島和南海航行船只的移動軌跡。endprint

由此可知，大陸研制合成孔徑雷達衛(wèi)星正不斷推陳出新，面對日漸增多的雷達圖像數(shù)據(jù)，如何從中擷取所需的情報資料成為一大挑戰(zhàn)。所以，大陸為何積極爭取陳錕山，很可能是借重陳錕山的專長，提升大陸對合成孔徑雷達圖像的解析能力。

臺灣對合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像的運用

目前，臺灣雖沒有自主的合成孔徑雷達衛(wèi)星，但外購合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像時間卻很早，中央大學太空及遙感測繪中心早在1994年就開始接收歐洲航天局（ESA）的ERS-1合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像。臺灣軍方也十分重視合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像的效能，“軍情局”曾于1997年7月2日至8月20日委托太遙中心開辦“合成孔徑雷達教育訓練課程”，為監(jiān)控大陸軍事動態(tài)培養(yǎng)人才。

1998年4月14日，法國SPOT衛(wèi)星拍到大陸甘肅省嘉峪關(guān)東北方約120千米的鼎新軍用機場附近出現(xiàn)一個新機場，經(jīng)仔細比對，該機場規(guī)模、跑道、滑行道等設(shè)施配置與臺中清泉崗機場一模一樣。臺灣軍方立刻調(diào)出前三天（4月11日）加拿大Radarsat資源衛(wèi)星拍到的合成孔徑雷達圖像交叉比對，發(fā)現(xiàn)這座與清泉崗相仿的機場竟沒有顯示在雷達圖像上。原來，機場跑道和停機坪等設(shè)施是一片平坦地面，能鏡面反射雷達波，其雷達圖像會呈現(xiàn)黑色，如果是不平坦的地面會反射雷達波，使雷達天線收到較強的回波，圖像呈現(xiàn)較明亮的顏色。由此判斷，該機場的地面并沒有真正的設(shè)施，整座機場可說是“畫”出來的。臺軍分析，建造這座復制機場，應是為解放軍飛行員訓練之用，目標不言自明。

從檔案來看，陳錕山多次接受臺灣軍情單位委托，進行合成孔徑雷達圖像軍事用途的研究，例如2004年“國防部電展室”的“合成孔徑雷達圖像遙感測繪訓練課程”、2005年臺灣“國防工業(yè)發(fā)展基金會”發(fā)起的“雷達光學遙感測繪圖像船只偵（監(jiān)）測決策及展示系統(tǒng)”、2007年臺灣“中科院”的“SAR衛(wèi)星偵察照相陣地防護之研究”和前瞻通訊實驗室（“國安局”）的“衛(wèi)星合成孔徑雷達特定目標自動化識別”、2008年臺灣“中科院”的“SAR衛(wèi)星偵察照相陣地防護驗證”、2010年臺灣“中科院”的“雷達地表反射系數(shù)數(shù)據(jù)庫”等項目。從這些委托研究計劃來看，臺灣軍情單位是運用“攻防”概念進行合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像運用，即主動探測和被動防護，前文列舉的“雷達光學遙感測繪圖像船只偵（監(jiān)）測決策及展示系統(tǒng)”、“衛(wèi)星合成孔徑雷達特定目標自動化識別”和“雷達地表反射系數(shù)數(shù)據(jù)庫”屬于主動探測，而“SAR衛(wèi)星偵察照相陣地防護之研究”和“SAR衛(wèi)星偵察照相陣地防護驗證”則屬于被動防護，顯示臺灣軍情單位除了想通過合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像獲取情報資料，也要防范別人的合成孔徑雷達衛(wèi)星監(jiān)測自身。

臺灣發(fā)展合成孔徑雷達衛(wèi)星的構(gòu)想

合成孔徑雷達衛(wèi)星與光學成像衛(wèi)星的技術(shù)不同，因此著眼的任務(wù)理念也不一樣。簡單來說，光學成像衛(wèi)星的任務(wù)是著重執(zhí)行“辨識”目標物，而合成孔徑雷達衛(wèi)星則可以執(zhí)行“監(jiān)控”的任務(wù)。例如可以光學成像衛(wèi)星圖像資料詳細繪出山區(qū)地形模型，利用合成孔徑雷達衛(wèi)星監(jiān)控土石流的發(fā)生，作為實時通報，減少生命及財產(chǎn)的損失。所以光學成像衛(wèi)星和合成孔徑雷達衛(wèi)星是互補的，若能同時擁有光學成像衛(wèi)星和合成孔徑雷達衛(wèi)星，效益將是倍數(shù)增長。另外，合成孔徑雷達衛(wèi)星的任務(wù)因著重在監(jiān)控，系統(tǒng)分辨率的需求上，可以不如光學成像衛(wèi)星的精細，在相關(guān)技術(shù)的獲得上將較為有利。

早在1999年12月15日，當時“行政院”所屬“國家科學委員會”（簡稱“國科會”）在“立法院科技與信息委員會”上提交“太空科技發(fā)展計劃報告”時，就將合成孔徑雷達衛(wèi)星列為未來適合臺灣發(fā)展的三種衛(wèi)星之一，另兩種分別為光學遙感衛(wèi)星和多用途小衛(wèi)星星座。2004年，臺灣“國家太空中心”的前身“太空計劃室”對符合自身需求的合成孔徑雷達衛(wèi)星進行研究，預定任務(wù)需求包括監(jiān)控臺灣自然災害發(fā)生情況、監(jiān)控臺灣附近水域漁船走私等，由于是首次嘗試，因此衛(wèi)星技術(shù)檔次不能太高，照片分辨率需求在3～5米，因為需要監(jiān)控大范圍，所以只要“掃描”（scan）操作模式，可使合成孔徑雷達的主動相控陣天線設(shè)計也較為簡單。另外考慮到項目預算限制，系統(tǒng)設(shè)計還需注意：衛(wèi)星軌道不需要太高，以減少電力需求；采用X波段雷達，以小面積天線達到分辨率需求；刈幅（傳感器能測得的圖像寬度）不要太大，以減小相控陣天線的面積。

當時“太空計劃室”還以“福衛(wèi)二號”衛(wèi)星作為合成孔徑雷達衛(wèi)星的設(shè)計基礎(chǔ)，推算出合成孔徑雷達衛(wèi)星軌道若為500千米高度，40度傾角，就能得到“較好視野”、“適度軌道高度”和“較高再訪頻率”。根據(jù)上述需求和設(shè)計理念，“太空計劃室”研究報告提出適合臺灣的合成孔徑雷達衛(wèi)星的規(guī)劃：軌道高度約500千米，40度傾角（對臺灣最合適的拍攝頻率），每天可通過臺灣附近7次，南北涵蓋由日本至澳大利亞。圖像分辨率3米，任務(wù)壽命8年。另外，考慮到在500千米高度的軌道，會在傾角1.5度左右下降59千米，必須進行一次軌道提升修正，對于750千克重的衛(wèi)星，軌道提升修正60千米需要 11千克燃料，考慮衛(wèi)星8年的任務(wù)壽命，衛(wèi)星需要攜帶33千克燃料。endprint