海上搜救與邊境巡邏：無人機夜視系統在 Advanced Ocean 環境中的應用

 

海事無人機任務的複雜性與高擬真合成環境的必要性

在全球化貿易與地緣政治版圖持續變動的發展軌跡中，各國對於廣闊海岸線、專屬經濟區（EEZ）以及重要海上航道的安全防護需求呈現指數級的攀升，傳統的海上巡邏高度仰賴有人駕駛的巡邏機與海巡艦艇，這類實體資產雖然具備強大的執法與打擊能力，但其高昂的生命週期成本、受限的滯空時間，以及在惡劣海象下對機組人員帶來的潛在生命風險，促使航太國防產業將目光轉向新世代的無人飛行載具（UAV）。

在這樣的產業背景下，具備垂直起降（VTOL）與長滯空能力的無人機系統——例如 Quantum3D 的 QUAV 雲下自主無人機（Sub-Cloud Autonomous UAV） — 逐漸成為海事偵蒐的核心節點，QUAV 不僅具備固定翼的高速與長航程優勢（可達 50 英里，燃氣引擎滯空達 6 小時），更結合了旋翼機的垂直起降彈性，使其無需依賴傳統跑道，即可部署於空間受限的海巡艦艇甲板或偏遠的海岸前進基地；然而，載具本身的飛行能力僅是任務成功的基礎，真正決定海上搜救（SAR）與反走私任務成敗的關鍵，在於無人機所搭載的「光電與紅外線（EO/IR）感測器酬載」，以及操作人員在極端環境下判讀這些感測器資訊的專業能力。

Quantum3D QUAV 是一款固定翼雲下自主無人機（Sub-Cloud Autonomous UAV），具備垂直起降（VTOL）、長航時、模組化載荷與自主飛行能力，可用於軍事、情報、環保、農業與災害應變等多領域應用。

從實務操作的維度觀察，夜間的海洋是一個極度複雜且充滿動態干擾的熱力學與光學環境，與相對靜態的陸地地貌不同，海面持續處於波動狀態（Sea States），並會對月光、星光與周邊光源產生強烈的動態反射（Sun/Moon Glint）。在夜間或濃霧籠罩的波濤洶湧中，走私快艇、非法越境者，或是在冰冷海水中等待救援的落水人員，其微弱的熱訊號極容易被海浪的熱雜訊（Thermal Clutter）或飛沫（Bow Spray）所掩蓋。

要驗證無人機夜視系統在這種極端條件下的性能，並訓練酬載操作員（Payload Operator）的目標識別能力，若僅依賴實機外場測試，將面臨極大的侷限性，真實海洋的天候條件不可控，工程團隊無法在現實中「一鍵生成」特定的強風巨浪或月光反射角度來進行反覆的對比測試；同時，在惡劣海象下頻繁放飛無人機，伴隨著難以忽視的墜機風險。

為了解決這項產業難題，透過先進的視覺模擬軟體建構「數位海事雙生（Digital Marine Twin）」成為了目前最具經濟效益與科學嚴謹性的解答，以 Quantum3D MANTIS 即時場景管理軟體 為核心，結合其 Advanced Ocean（進階海洋外掛模組） 與 ViXsen / Quest2 物理感測器模擬模組，系統開發商能夠在安全、可量化的實驗室環境中，主動創造出具備真實物理厚度與熱力學特性的 3D 波濤海面，這項技術的整合，不僅使無人機研發團隊能透過硬體迴路（HIL）測試優化 AI 視覺追蹤演算法，更讓第一線的海巡與搜救人員能夠在無風險的合成環境中，鍛鍊其操作長波紅外線（LWIR）鏡頭穿透海象干擾的關鍵技能，確立了高擬真海洋模擬在現代海事防護體系中的核心地位。

MANTIS 外掛模組：圖中為一架直升機在海上飛行，背景是一艘軍艦，海面呈現動態波浪效果，該場景來自海上作戰模擬或飛行訓練系統，用於模擬直升機在艦船附近的操作，強調環境光影與水面擾動的擬真度。

解決方案特色：從流體動力學到像素級熱輻射的深度耦合

要在虛擬環境中完美重現夜間波濤洶湧的海洋，並讓無人機的紅外線鏡頭產生真實的物理反應，系統不能僅依賴傳統的 2D 紋理貼圖，此解決方案透過以下多層次的核心技術模組，達成了從幾何波浪到光電雜訊的全面擬真：

MANTIS Advanced Ocean 進階海洋外掛模組

此模組是建構複雜海象的視覺基石。有別於早期的平坦水面模擬，Advanced Ocean 採用先進的 GPU 著色器（Shaders）技術，生成具備真實幾何高度的 三維海浪（True 3D Waves），系統允許教官或測試工程師精確設定「海象等級（Sea States）」，從平靜無波的湖面到波濤洶湧的遠洋巨浪皆可即時生成；此外，模組能計算複雜的光學互動，包含 太陽與月亮的動態倒影（Sun / Moon Reflection），這在夜視（NVG）訓練中是極為關鍵的干擾源。針對海上活動的實體，系統會依據船隻的航速與排水量，自動產生真實的 尾流（Wakes） 與 船首碎浪水花（Bow Spray），這些動態的流體特徵為紅外線感測器提供了關鍵的辨識線索。

MANTIS 為 Quantum3D 研發的即時影像產生軟體，支援 CDB、感測器模擬、環境特效、飛行與車輛模擬等應用，提供高擬真 3D 圖形，適用於訓練與模擬市場。

QUAV 雲下自主無人機 的數位飛行與酬載特性映射

在軟體環境中，必須精確映射真實載具的動力學限制，系統導入了 QUAV 的完整通用空氣動力模型（Generic Aerodynamics Simulation），QUAV 具備 11 磅的有效載荷能力，這意味著它在虛擬環境中可配置高階的雙光（EO/IR）雷射標定雲台。在模擬過程中，系統會計算海洋強風與陣風對 QUAV 機體的物理擾動；當機體產生顛簸時，模擬的相機雲台（Gimbal）必須啟動虛擬的電子與機械防震機制（Stabilization），這種軟體層面的物理連動，讓操作員能在強風環境中，體驗並克服鏡頭晃動對目標鎖定帶來的真實困難。
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Quantum3D 雲下自主無人機可與所有無人系統執行聯合作戰，具備垂直起降 (VTOL) 能力、完全自主任務能力、模組化架構（可整合不同的有效載荷）以及許多其他卓越功能。 (此影片由 Quantum3D 於國外測試與拍攝)

ViXsen 基於物理的感測器底層運算

要讓紅外線鏡頭看見熱量，海洋不能只有「視覺外觀」，還必須具備「熱力學屬性」，ViXsen 模組透過材質分類地圖（Material Classified Maps），為海水賦予了極高的「熱容量（Thermal Mass）」與特定的「發射率（Emittance）」，海洋的溫度變化極為緩慢，在 ViXsen 的 1D 熱傳導演算法運作下，經過白天曝曬的海洋在夜間會呈現大面積均勻的低溫背景（在黑熱模式下呈現深色）。相對地，走私快艇的玻璃纖維船體與高溫運轉的舷外機引擎，其熱容量與散熱速率與海水截然不同，ViXsen 能精準計算出這些材質在夜間海風吹拂下的即時溫度梯度，產生具備物理說服力的熱對比（Thermal Contrast）。

Quest2 感測器 後處理與雜訊模擬

海洋環境對光學與紅外線設備的干擾不僅來自溫度，還來自複雜的光源反射，Quest2 模組負責模擬這些感測器硬體極限，當夜間海浪反射月光，或是遠處港口的城市光暈（City Glow）進入鏡頭時，Quest2 會模擬紅外線感測器的高動態範圍（HDR）運作，並觸發 自動增益控制（AGC, Automatic Gain Control）。若月光反射過於強烈，AGC 會自動調暗整體畫面以防止過曝，這可能導致原本微弱的目標熱源暫時消失，Quest2 同時支援隨機雜訊、固定雜訊與閃爍（Scintillation）效果的注入，訓練操作員在這些動態干擾下，手動介入調整亮度與對比度（Level and Gain），以維持目標的清晰度。

 

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

多通道架構與 CDB 地形資料庫的無縫整合

海洋巡邏任務通常需要橫跨數百公里的廣大區域，此解決方案原生支援 CDB（Common Database，通用資料庫） 格式，並整合 GeoScapeSE WWDB 全球資料庫，確保無人機在虛擬海洋上進行長達數小時的 BVLOS（超視距）巡航時，不會遭遇地形載入的停頓。底層的 Independence IDX 影像產生器（如 4U 機箱設計的 IDX 90 或高階的 IDX 8000），憑藉強大的 NVIDIA RTX GPU 陣列與多線程任務處理（MFP），確保即使在同時渲染 3D 巨浪、船隻尾流與像素級的 ViXsen 熱成像運算時，系統更新率仍穩如泰山地維持在 60Hz 甚至 90Hz 以上，徹底消除多通道顯示間的時間延遲與畫面撕裂。

Independence IDX 8000 提供極致擬真與卓越效能，適用於軍事模擬、飛行訓練及虛擬實境；支援 NVIDIA Quadro GPU，全球資料庫（WWDB），並相容 FAA Level D 模擬標準。

解決方案應用：在數位汪洋中鍛鍊極端偵蒐與防護技能

將 Advanced Ocean 巨浪模擬與物理級夜視感測器技術相結合，徹底顛覆了傳統海事無人機的訓練與驗證模式，以下探討幾個在海上搜救、邊境巡邏與設施防護中最具代表性的高階應用場景：

惡劣海象下的夜間搜索與救援（SAR）

海上搜救往往與時間賽跑，而落水人員在冰冷且波濤洶湧的夜間海面上，是極難被發現的目標，人類頭部露出水面的面積極小，其散發的微弱熱量很容易被周圍海浪的熱雜訊掩蓋；在此模擬情境中，教官可透過 MANTIS 注入強風與 3D 巨浪，操作員駕駛 QUAV 無人機進入目標海域後，必須切換至長波紅外線（LWIR）模式，此時，操作員將面臨「波浪遮蔽（Wave Occlusion）」的物理挑戰——目標的熱源會隨著波浪的起伏而間歇性地消失與出現。結合 Quest2 的子母畫面（PIP）放大功能與自動增益控制，操作員必須學會在充滿雜訊與閃爍的黑熱（Black Hot）或白熱（White Hot）畫面中，敏銳地捕捉那稍縱即逝的微小熱異常（Hot Spot），這對於縮短真實黃金救援時間具有不可衡量的價值。

Quantum3D Mantis Sea Rescue Demonstration

夜間反走私與邊境海岸線防護

走私與非法越境活動經常利用夜間與惡劣氣候作為掩護，採用低矮的玻璃纖維快艇（Go-Fast Boats）以躲避雷達偵測。由於船體材質對雷達波的反射極低，紅外線感測器成為鎖定這類目標的最佳利器。 在模擬演練中，教官可於 GeoScapeSE 的高解析度海岸線資料庫中佈署多艘由 AI 驅動的非法快艇。即使快艇本身實施了燈光管制與偽裝，但在高速行駛下，Advanced Ocean 模組會自動生成龐大的船首碎浪（Bow Spray）與長達數百公尺的尾流（Wake）。在 ViXsen 的物理運算下，被螺旋槳強烈攪動的海水會與周圍靜止的海水產生細微但明確的溫度差異。操作員能藉由辨識這條在紅外線畫面中拖曳的「熱痕跡」，在數公里外逆向鎖定走私船隻的精確位置，完成從偵蒐到攔截的戰術前置作業。

離岸油氣平台與專屬經濟區（EEZ）的關鍵基礎設施監控

對於遠洋的鑽油平台或風力發電陣列，其周邊海域的安全防護至關重要，這類設施不僅結構複雜，且經常排放高熱氣體或廢水，在夜間紅外線畫面中會形成強烈的背景光源干擾，利用 CatalystSE DBGS 合成環境資料庫建構，工程團隊可以將精確的 3D 油氣平台模型無縫嵌入全球海洋資料庫中，在模擬任務中，無人機操作員必須在平台上方的空域進行盤旋監控，操作員將演練如何利用 雷射測距儀 與 光電雲台，在面對設施燃燒塔（Flare Stack）造成的強烈紅外線過曝干擾時，熟練地調整 Quest2 模組的感測器極性與濾光參數，以確保能清晰辨識出企圖趁夜色潛近平台基座的敵意小艇或潛水人員。

SBIR LRTM 雷射測距測試模組，提供 1064/1540/1570nm 雷射源，專為雷射測距儀與接收器測試；支援光學/電氣觸發，動態模擬 50m 至 60km 距離 (精度 +/-1.5m 或 0.01%)；具備 >40dB 脈衝功率控制與首/末脈衝功能。


AOM-HG 混合型平衡旋轉台 (Hybrid Gimbal) 提供超高精度指向與追蹤，適用於無塵室與真空環境，支援 30 英吋光學負載，可應用於電光設備測試與衛星影像系統。


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。

惡劣天候下的硬體迴路（HIL）飛控與 AI 視覺演算法驗證

對於無人機系統製造商而言，驗證 QUAV 這類具備自動駕駛與機器視覺追蹤（Machine Vision Tracking）能力的載具，需要大量極端環境的資料輸入。 透過獨立的 Independence IDX 影像產生器，研發團隊可以建構一個不依賴實地天氣的硬體迴路（HIL）測試平台。系統能源源不絕地生成夾雜雷暴、濃霧（透過 Advanced Weather 模組）與 3D 波浪反射月光的紅外線視訊流。這些帶有高強度環境雜訊的物理級像素數據，被直接餵入無人機真實的影像辨識電腦中。工程師可藉此客觀評估，AI 演算法是否能在海面強烈反光與飛沫的干擾下，依然穩定地維持對移動船隻的幾何邊界鎖定。這種測試機制大幅加速了新世代無人機感測軟體的迭代週期，並顯著降低了研發初期的實機測試風險。

海陸空跨軍種的分散式聯合防護演習

海岸線防護從來不是單一載具的任務。透過支援 CIGI 介面與 DIS / HLA（高層架構）軍事網路協定，QUAV 無人機的海洋模擬系統能被整合進更宏觀的戰術網路中。 在一個大規模的聯合演習場景裡，QUAV 作為前沿的「空中之眼」，在波濤洶湧的虛擬海域上空偵測到可疑的武裝船隻。操作員透過紅外線確認目標後，即時將目標座標與雷射標定數據，透過 HLA 網路傳遞給後方的「砲兵前線觀測員訓練模擬器（AFOS）」或海軍艦艇的指揮中心。指揮中心隨後模擬發射精確導引武器，而無人機操作員則留在安全空域，透過中波紅外線（MWIR）穿透海上的水氣與爆炸產生的硝煙，進行事後的戰果評估（BDA）。這種跨域的網路中心戰（Network-Centric Warfare）預演，極大化了單一模擬器的訓練綜效。

產業應用與客製化矩陣

由於 Advanced Ocean 的流體模擬與 ViXsen 的感測器底層物理運算具備高度的模組化特性，這套無人機海事模擬解決方案能夠輕易跨越單一部門的限制，對接不同產業的精確需求。以下矩陣詳細梳理了該技術在各大領域的應用維度與系統客製化配置重點：

此矩陣清晰地表明，結合海洋力學與熱物理的模擬系統，並非單一且僵化的軟體產品。透過開放式的架構設計與細緻的參數調整，它能為每一個負責海域安全的機構，量身打造出符合其最高戰術與工程標準的「數位測試與演訓海域」。

其他解決方案

建構一個足以支撐高階海事防護與無人機紅外線驗證的完整生態系，需要從底層硬體到頂層戰術軟體的全面共振。除了 Advanced Ocean 與 ViXsen 之外，Quantum3D 的其他解決方案亦在其中扮演了不可或缺的支援角色：

Independence IDX 系列影像產生器

作為驅動龐大海洋物理運算的心臟。無論是精巧的 4U 系統（如 IDX 90）或是支援多達 64 通道的旗艦級機櫃（IDX 9000），這些基於 COTS 與 NVIDIA RTX 架構的設備，確保了多通道顯示器之間的精準同步（Quadro Sync）。在渲染複雜的 3D 波浪幾何與高動態範圍（HDR）紅外線時，維持 60Hz 以上的穩定幀率是防止操作員產生模擬器暈眩（Simulator Sickness）的底層保障。

Independence IDX 8000 提供極致擬真與卓越效能，適用於軍事模擬、飛行訓練及虛擬實境；支援 NVIDIA Quadro GPU，全球資料庫（WWDB），並相容 FAA Level D 模擬標準。

MANTIS Commander 影像產生軟體平台

在建立包含多個無人機控制站與海巡艦艇模擬器的大型聯合演訓中心時，MANTIS Commander 提供了一個統一的系統級管理介面。系統管理員可以遠端啟動、配置與監控網路上數十個 MANTIS 影像通道的健康狀態，確保不同模擬節點在同一個虛擬海域中的天候與海象設定達到絕對的一致性。

MANTIS Commander 提供高效的多通道影像產生（Image Generator, IG） 解決方案，支援 NVIDIA Quadro Sync，適用於 Windows 及 Linux，可管理 64+ 通道，提升影像系統的靈活性與穩定性。

混合實境（MR）視覺模擬系統

針對新世代的飛行員與無人機遠端操控站，結合 Varjo XR-3 高解析度 MR 頭戴顯示器的解決方案，能將實體的操縱搖桿與儀表板，無縫疊加於 MANTIS 渲染出的 360 度虛擬海洋環境中。這在空間極度受限的海上船艦模擬中心內，能以極低的硬體佔地面積，取代傳統龐大且昂貴的多通道球幕投影系統。

Quantum3D 混合實境視覺模擬系統，透過 Varjo XR-3 及 MANTIS 軟體提供 360 度高擬真飛行訓練，降低成本並相容所有航空器。

砲兵前線觀測員訓練模擬器（AFOS）

雖然主要應用於陸基防禦，但在海岸線防護與反登陸作戰中，AFOS 可透過 DIS/HLA 網路與 QUAV 無人機模擬系統連線。無人機在海上發現敵意目標後，可將精確的雷射標定數據傳遞給海岸砲兵單位的 AFOS 系統，進行精準的跨域火力壓制演練，實現無縫的「偵蒐至打擊（Sensor-to-Shooter）」戰術迴路。

Quantum3D 砲兵前線觀測員訓練模擬器（AFOS）為前線觀測員與火力指揮中心提供沉浸式 3D 戰場模擬訓練，涵蓋目標偵測、火力請求與彈道模擬，並支援 NATO 砲兵技術。

CatalystSE DBGS 合成環境資料庫建構解決方案

這是一套專業的資料庫建構工作站。當標準的全球資料庫無法滿足特定的海事防護需求時（例如需要極高解析度的特定軍港防護演練），開發團隊可利用 CatalystSE 匯入最新的衛星空照圖與高程資料，快速建構出具備精確物理材質分類（供紅外線計算使用）的專屬海岸線 3D 模型，確保訓練環境具備高度的戰術時效性。

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。

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。