雨雪、濃霧下的「透視眼」：無人機紅外線鏡頭在惡劣氣候的模擬驗證

 

在現代航太與國防產業的發展進程中，無人飛行載具（UAV）的應用已從早期的「晴天日間作業」大幅演進為「全天候、全天時」的戰術與巡航需求，在這樣的背景下，無人機所搭載的感測器能力，成為了決定任務成敗的核心樞紐，在良好的天候下，高解析度的電光（Electro-Optical, EO）可見光相機足以應付多數的偵蒐任務；然而，當面臨大雨、降雪、甚至濃霧等極端天候時，可見光與短波紅外線（SWIR）往往會因為空氣中懸浮水滴與微粒的散射效應而產生嚴重的視覺退化，導致「致盲」現象。

為了解決這項物理限制，長波紅外線（LWIR）感測器因其波長較長、具備優異的穿透微小水滴與煙塵的能力，被廣泛視為惡劣氣候下的「透視眼」；然而從系統開發與人員訓練的角度來看，要驗證這些昂貴的 LWIR 鏡頭在極端氣候下的真實表現，面臨著巨大的實務挑戰；在現實物理世界中，工程團隊難以隨時「召喚」一場夾雜雷電與暴雨的風暴，也無法精確控制霧霾的濃度梯度來進行反覆的硬體迴路（HIL）對比測試，此外，在惡劣天氣下頻繁放飛無人機進行實機演練，伴隨著極高的墜機風險與高昂的操作成本。

在現有的技術條件下，透過高擬真視覺模擬軟體在安全環境中「生成」惡劣天氣，成為了目前最具經濟效益且具備高度可重複性的解答，Quantum3D MANTIS 即時場景視覺模擬顯示引擎，結合其強大的外掛模組生態系（如進階天氣模組、RunwayFX 特效 與 ViXsen 物理感測器模組），為此產業痛點提供了全面的虛擬驗證平台。

這套系統不僅能在 3D 合成環境中渲染出具備物理厚度的體積雲、雨雪與局部濃霧，更能透過底層的熱傳導演算法，精確模擬這些氣候因素如何影響地表物體的散熱與熱輻射特徵，透過此整合方案，無人機操作員與研發工程師得以在實驗室內，客觀地比較 EO 鏡頭與 LWIR 鏡頭在暴雨或降雪中的視覺落差，並訓練操作員在複雜熱雜訊干擾下，依舊能準確判讀並鎖定目標，這種從「被動等待天氣」到「主動創造極端環境」的技術典範轉移，有望顯著提升無人機在全天候任務中的決策精準度與執行可靠性。

圖中為 植被渲染模擬，可見地形上覆蓋草地、樹木與自然環境細節，增強場景真實感，此效果來自 MANTIS 即時植被外掛模組，可在地形上即時產生高品質三維植被（Foliage），支援 SpeedTree™ 樹木技術，並模擬 全球風場與局部風場（如旋翼擾動氣流），適用於飛行模擬、戰術訓練與環境模擬，提升視覺擬真度與沉浸感

解決方案特色：物理級氣候干擾與感測器穿透力的深度耦合

要精確驗證 LWIR 鏡頭在惡劣氣候下的優勢，模擬系統不能僅是在畫面上疊加一層灰白色的半透明濾鏡來代表「霧」，MANTIS 軟體架構透過多個深度整合的外掛模組，從大氣物理到地表熱力學，建立了一套嚴謹的模擬機制。

MANTIS 進階天氣模組

此模組是生成極端氣候的核心。它支援高達兩層的 3D 體積雲層（3D Volumetric Cloud Layers），並能生成高達 5 個獨立的體積風暴雲，同時伴隨局部陣雨（Rain Squalls）與隨機閃電（Randomized Lightning）特效。對於濃霧模擬，系統採用基於高度的「分層霧效應（Layered Fog Effect）」，並支援大氣與天氣範圍的霧霾模型。當結合射線追蹤（Ray Marching）選項時，雲層與霧氣的透光率會根據厚度產生真實的漸層變化，這種高擬真的體積與濃度模擬，是客觀測試無人機光學感測器何時會因氣候遮蔽而「致盲」的關鍵基準。

圖片中為進階天氣模擬，展現積雨雲的壯觀垂直發展，伴隨降水與閃電，模擬雷暴、強降雨與湍流等天氣現象，此場景來自 MANTIS 進階天氣外掛模組，可產生三維體積雲、閃電、降雨與雲影變化，適用於飛行模擬、軍事訓練與環境模擬，提升天候變化的擬真度與沉浸感。

RunwayFX 跑道與地表特效

惡劣天氣不僅發生在空中，也會改變地表狀態，進而影響無人機在起降與低空偵蒐時的判讀，RunwayFX 模組能模擬跑道與地表在不同天氣下的物理與視覺變化，包含濕滑積水、結冰、積雪、沙塵，甚至是隨風飄散的風吹雪（Wind-blown snow）與風飛沙特效；更重要的是，當這些地表狀態改變時，它們會即時影響材質的熱容量與發射率，例如，覆蓋積水的瀝青路面，其熱信號特徵將與乾燥時截然不同，這對於訓練操作員在雨後環境中判讀 LWIR 影像具有不可取代的價值。

圖中為跑道特效模擬，可見濕滑的跑道表面，水面反射環境光線，營造真實的降雨後機場場景，此效果可能來自 MANTIS 跑道特效外掛模組，可動態模擬潮濕、積水、冰雪、沙塵等不同跑道條件，並支援跑道燈光反射與天氣變化的即時調整，適用於飛行模擬與地面操作訓練，提升環境擬真度與沉浸感。

ViXsen 物理基礎感測器模擬

驗證 LWIR 穿透力的靈魂在於 ViXsen 模組，有別於傳統的視覺轉換，ViXsen 是透過材質編碼紋理（Material Coded Textures）進行像素級的底層熱傳導運算，在模擬過程中，它會整合進階天氣模組的數據——當大雨降下或濃霧瀰漫時，ViXsen 會計算空氣中水氣對特定波段（如中波 MWIR 與長波 LWIR）的吸收與大氣散射（Atmospheric Scattering）程度。同時，它也支援動態變化的晝夜循環（Diurnal Cycle），精確呈現日照被厚重雲層遮蔽後，地表物體冷卻速率的差異。透過這套物理機制，系統能真實呈現 LWIR 在濃霧中依然能捕捉微弱熱對比（Thermal Contrast）的物理優勢。

圖中展示了 Quantum3D 的訓練模擬技術，透過紅外線（IR）影像模擬呈現戰場環境，並清楚顯示坦克與周圍場景的熱對比效果。此技術適用於軍事訓練、戰術模擬與感測器測試，能夠精確模擬紅外線設備的視覺效果，以提升夜間作戰與偵查能力。

Quest2 感測器後處理與雜訊模擬

在極端天氣下，感測器硬體本身也會受到影響，Quest2 模組負責模擬真實紅外線與光電設備在惡劣條件下的影像退化現象，例如當 MANTIS 進階天氣模組產生閃電時，Quest2 可以模擬強光對感測器造成的瞬間過曝與自動增益控制（AGC）的延遲恢復；此外系統可即時生成隨機雜訊（Random Noise）、固定雜訊（Fixed Noise）與閃爍（Scintillation），讓無人機操作員體驗在暴風雪中，因為背景溫度急遽下降且充滿干擾時，LWIR 畫面可能出現的雪花雜訊與模糊（Blur）現象，並訓練他們如何手動調整增益與極性（白熱/黑熱）來過濾干擾。

圖片中展示了夜視模擬技術，模擬夜視鏡（NVG）環境中的視覺效果，畫面中的發光點代表熱源或光源，提供增強夜間識別與戰場感知能力，該技術可應用於軍事訓練、航空航太、無人機操作與感測器測試，提升在低光或全暗環境下的目標識別與戰術規劃能力。

多通道同步的 EO/LWIR 即時對比

在硬體架構上，MANTIS 支援 64 位元原生多通道渲染，透過單一主機系統（如 IDX 影像產生器），模擬器可以同時輸出多個不同波段的感測器視窗，這意味著教官或研發工程師可以在同一個螢幕上，左半邊顯示被濃霧完全遮蔽、能見度為零的 EO 可見光畫面，右半邊則同步顯示不受霧氣影響、清晰鎖定車輛引擎熱源的 LWIR 畫面，這種無延遲的並排對比，是證明感測器效能與進行訓練的最直觀方式。

Quantum3D Mantis Helicopter Demo

解決方案應用：在合成風暴中鍛鍊全天候作戰與救援能力

將高擬真的惡劣氣候生成技術與 LWIR 物理感測器模擬相結合，賦予了無人機訓練與測試系統在多個關鍵產業中不可或缺的應用價值：

惡劣天候下的高價值目標偵蒐與追蹤（ISR）

在軍事與戰術偵察任務中，敵方往往會利用大雨或濃霧作為掩護進行部隊調動，透過 MANTIS 的進階天氣模組，教官可以在 3D 戰區（如 GeoScapeSE 資料庫）中動態注入厚重的雷雨雲層與濃霧。無人機酬載操作員必須在模擬器中，經歷從可見光相機切換至 LWIR 鏡頭的過程。在 EO 模式下，畫面可能是一片死白（受霧氣散射影響）；但切換至 LWIR 後，透過 ViXsen 的物理運算，操作員能夠穿透水氣遮蔽，清晰看見隱藏於樹林邊緣、因引擎運轉而散發熱輻射的敵方裝甲車輛。這種訓練能顯著強化操作員在視覺受限環境下的目標鎖定能力與信心。

全天候海上邊境巡邏與反走私監控

對於海巡單位而言，海上任務經常伴隨著低雲幕、海霧與強風。結合 MANTIS 的進階海洋模組（Advanced Ocean Plug-In）與天氣模組，系統可生成波濤洶湧且霧氣瀰漫的夜間海面。LWIR 感測器在這種環境下展現出極大的優勢，因為海水的熱容量大，溫度變化緩慢，而高速行駛的走私快艇其引擎與人員體溫會與冰冷的海水形成強烈的熱對比。操作員在模擬器中，演練利用 Quest2 的自動增益控制（AGC）過濾海浪反射的紅外線雜訊，在濃霧中準確捕捉非法船隻的微小熱源（Hot Spot），完成全天候的邊境防護預演。

極端氣候下的森林消防與災難應變

在撲滅大型森林火災時，火場上方通常會被厚重的濃煙覆蓋，傳統直升機或可見光無人機無法觀測火勢走向。系統可利用 MANTIS 的 WildFire（野火）外掛模組生成火災與濃煙，同時啟動天氣模組的強風來模擬火勢蔓延。無人機操作員在此情境下，利用 LWIR 的「煙霧穿透視覺（See Through Smoke）」能力，在虛擬螢幕上越過厚重的黑煙，精準定位火場最核心的高溫燃燒帶（熱點），並將座標即時回傳給地面的消防指揮中心。這種模擬對於提升救災資源調度與消防員的安全性具有高度的實務價值。

高山與寒帶環境的搜救行動（SAR）

在降雪或暴風雪的環境中尋找失蹤者是一項極度艱鉅的任務。透過 RunwayFX 模組，系統能於 3D 山區地形上覆蓋積雪，並生成風吹雪（Blowing Snow）特效遮蔽視線。在此極端低溫的合成環境中，ViXsen 會計算雪地的低溫輻射特徵。操作員訓練如何利用 LWIR 鏡頭的「白熱（White Hot）」極性模式，在廣大的冷色調雪地背景中，迅速識別出人體散發的微弱熱能，同時他們必須學會在 Quest2 模組中調整對比度，以過濾因風雪造成的隨機雜訊干擾，大幅縮短惡劣天候下的黃金救援時間。

自動降落系統的硬體迴路（HIL）感測器驗證

對於無人機製造商與航太研發機構，測試無人機的自動降落演算法在暴雨或積水跑道上的表現，具備高度危險性。工程團隊可將真實的無人機飛控電腦連接至 Independence IDX 影像產生器。MANTIS 透過 RunwayFX 生成佈滿積水與反光的機場跑道（包含跑道燈光的倒影），並結合大霧遮蔽。系統即時渲染出 EO 與 LWIR 兩組影像資料流，並將其注入（Stimulation）無人機的影像辨識系統中。這使得工程師能夠客觀驗證，當可見光鏡頭因水面倒影與霧氣失效時，自動駕駛系統能否順利切換依賴 LWIR 傳感器的熱特徵邊界進行安全降落，確保了新世代飛控邏輯的穩定性。

產業應用與客製化矩陣

無人機在不同產業所面臨的氣候干擾不盡相同，對紅外線鏡頭的驗證重點也有所差異。以下矩陣詳細說明了結合 MANTIS 氣候與感測器模組的技術，如何依據特定產業需求進行深度的客製化配置：

此矩陣清楚展示，透過高度模組化的架構設計，系統能將大氣科學的複雜干擾與光電物理精密結合，為各領域提供可量化、可重複驗證的極端氣候測試標準。

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其他解決方案

建構一個足以精確模擬惡劣氣候與高階 LWIR 感測器的訓練環境，仰賴多項軟硬體解決方案的深度共振，Quantum3D 提供以下相關技術以完善整個模擬生態系：

Independence IDX 系列影像產生器

作為驅動這一切極端氣候與物理運算的硬體心臟。從精巧的 IDX 80 到旗艦級的 IDX 9000，這些基於 COTS 架構與 NVIDIA RTX GPU 的設備，確保了在渲染龐大的 3D 體積雲、即時雨雪粒子，以及進行 ViXsen 像素級熱傳導運算時，系統依然能維持 60Hz 以上的穩定輸出，保證感測器畫面的零延遲。

IDX 9000 提供最強大的即時圖像產生技術，具備4U 高密度計算架構，支援4 張 NVIDIA RTX GPU、Intel Xeon 可擴充處理器，並相容CIGI 4.0、OpenFlight、CDB 等標準；內建 15m 全球範圍地形資料庫，可插入高解析度影像資料，支援夜視、紅外線、電光模擬

GeoScapeSE WWDB 全球特定地理資料庫

為氣候與感測器模擬提供真實的地理舞台。它提供 15M/10M 的全球地貌覆蓋，並支援高解析度的 3D 城市與機場插入模型。更重要的是，它支援材質分類地圖（Material Classified Maps, MCMs），確保地形中的每一寸土壤與建築，都能在氣候改變時反映出正確的物理熱屬性。

GeoScapeSE WWDB 是全球首款無縫整合的特定地理資料庫，提供 15M 或 10M 高解析度影像，支援 OTW、NVG、IR、EO 及雷達感測等應用，並針對 Quantum3D 影像產生器進行最佳化。

CatalystSE DBGS 合成環境資料庫建構解決方案

若標準資料庫無法滿足特殊的氣候測試需求，這套專業工作站工具允許開發人員將特定的高解析度空照圖與自訂的材質分類屬性，快速整合並優化為符合 MANTIS 格式的即時渲染資料庫，確保感測器測試環境具備高度時效性與客製化彈性。

CatalystSE DBGS 提供可自訂配置、基於 PC 的開放架構 COTS 資料庫解決方案，使客戶能開發、修改及維護大範圍、高解析度的地理特定合成環境；支援 ESRI ArcGIS、Quantum3D MANTIS、Adobe Photoshop 等專業工具。

SM200 / SM500 6DOF 專業飛行模擬器

在惡劣天氣中，強風與亂流不僅會影響視覺，更會對載具造成劇烈的物理晃動，結合具備 ±400°/s² 甚至更高加速度的 6DOF 全動態平台，系統能將 MANTIS 天氣模組產生的氣流干擾轉化為真實的零延遲動態回饋。這讓操作員在訓練紅外線鏡頭目標追蹤時，必須同時克服機體強烈震動帶來的操作挑戰，極大化實戰沉浸感。

SM500 是一款 6DOF 專業飛行模擬器，提供俯仰、橫搖、偏航、前衝、側移與垂盪的全動態模擬，具備 500kg 載重能力、± 500°/s² 偏航加速度與零延遲回饋，為飛行訓練、航太研發提供最逼真的駕駛體驗。

專屬訓練環境建置與技術支援

實際的系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。