光機設計與波段選型
鏡頭、濾光片、窗口與鍍膜的選擇，EO 與 IR 的共光軸配置，以及紅外線鏡頭一定要處理的熱離焦。從「要看到多細」反推焦距，不是從型錄挑。
UAV EO/IR Payload
飛得起來，還要看得準
市面上的成品雲台把規格寫得很漂亮，但一裝上你的機體、換上你要的焦段、飛到你真正的任務高度，數字就全部重來一次。我們做的是從任務反推規格的那一段——先問你要在多高的地方看到多大的東西、要看到什麼程度，再決定感測器、焦距、雲台與飛控介接怎麼配。
一、四塊能力，一條鏈
這四塊不能分開發包。焦距改一次，雲台的慣量、隔振的截止頻率、影像的資料率與定位誤差預算會同時變動，分開做的結果是四份都合格、合起來不能用。
穩定雲台機構與伺服控制
兩軸或三軸雲台的機構設計、配重與輕量化，隔振座的截止頻率規劃，以及 BLDC 直驅的力矩與控制迴路。穩定度不是買來的，是配出來的。
雙光影像處理與板卡
EO 與 IR 的視軸對準、視差補償與影像融合，即時串流與壓縮的延遲預算，以及嵌入式運算板（MCU／FPGA）的介接與韌體。
飛控整合與目標定位
以 MAVLink 介接 PX4 或 ArduPilot 的雲台指向與任務航點，把影像上的一個點換算成地面坐標，並把誤差預算一項一項拆給你看。
二、先把規格算出來，再談型號
以下用一組常見的雙光組態當基準，把數字攤開。EO 取 1/1.8 吋 CMOS（3096 × 2080、像素 2.4 µm、感光區 7.43 × 4.99 mm），IR 取非製冷微測輻射熱計（640 × 512、像素 12 µm、感光區 7.68 × 6.14 mm、8–14 µm）。飛高一律取 122 m，也就是法規的 400 呎上限。
| 感測器 | 焦距 | 水平視場 | 瞬時視場 | 122 m 的 GSD | 地面覆蓋寬度 |
|---|---|---|---|---|---|
| EO 可見光 | 16 mm | 26.1° | 150 µrad | 18.3 mm | 56.7 m |
| EO 可見光 | 25 mm | 16.9° | 96 µrad | 11.7 mm | 36.3 m |
| IR 長波紅外 | 13 mm | 32.9° | 923 µrad | 113 mm | 72.1 m |
| IR 長波紅外 | 19 mm | 22.9° | 632 µrad | 77.1 mm | 49.3 m |
| IR 長波紅外 | 25 mm | 17.5° | 480 µrad | 58.6 mm | 37.5 m |
把上面的 GSD 和判讀門檻對照，選型就沒有討論空間了。以人為目標、臨界尺寸取 0.75 m，依 Johnson 準則：偵測需要 1.0 個線對（2 像素）、辨識需要 4.0 個線對（8 像素）、識別需要 6.4 個線對（12.8 像素）；換算成 GSD 門檻分別是 375 mm、93.8 mm 與 58.6 mm。
| 任務 | GSD 門檻 | 122 m 能達成的最短焦距 | 代價 |
|---|---|---|---|
| 偵測：知道那裡有一個人 | ≤ 375 mm | IR 13 mm（GSD 113 mm，餘裕充足） | 覆蓋最寬，單趟掃得快 |
| 辨識：看得出是人不是動物 | ≤ 93.8 mm | IR 19 mm（GSD 77.1 mm） | 覆蓋寬度掉到 49.3 m |
| 識別：認得出是哪一個人 | ≤ 58.6 mm | IR 25 mm（GSD 58.6 mm） | 剛好壓在門檻上，沒有餘裕 |
三、雲台：穩定度是配出來的
雲台有兩種完全不同的誤差，規格書常常混在一起講：指向誤差是「雲台以為自己指著這裡，其實指著那裡」，影響的是目標定位；抖動是「畫面在抖」，影響的是影像品質與追蹤器能不能鎖住。前者靠標定與姿態量測解決，後者靠機構與控制解決。
配重：一毫米的偏心會放大成兩個像素
雲台軸承承受的擾動力矩，等於酬載質量 × 機體加速度 × 重心到轉軸的偏移量。以 0.35 kg 的酬載、機體側向加速度 3 m/s²（多旋翼急停時的常見量級）計算：重心偏移 0.5 mm 時擾動力矩是 0.525 mN·m；偏移 5 mm 時是 5.25 mN·m。
把力矩除以酬載對該軸的轉動慣量（取 3.5 × 10⁻⁴ kg·m²），得到角加速度 1.5 rad/s² 與 15 rad/s²。控制迴路要花大約 5 ms 才把它壓回去，這段時間累積的角度偏移是 18.8 µrad 與 188 µrad。對照 EO 25 mm 鏡頭的 96 µrad 瞬時視場——配重做到 0.5 mm 以內是 0.2 個像素，做到 5 mm 就是 2 個像素在跳。同樣一顆馬達、同樣一套演算法，差別只在有沒有把重心調到轉軸上。
隔振：截止頻率放錯地方會放大振動
多旋翼的主要振動源是螺旋槳的轉速基頻。6000 rpm 就是 100 Hz。隔振座是個彈簧—質量系統，只有當激振頻率高於自然頻率的 √2 倍時才開始隔振，低於這個比值反而會放大。
驅動：為什麼用 BLDC 直驅
雲台的運動範圍小、速度低、要求平滑，這正是齒輪最不擅長的工況——背隙會在換向時直接變成指向跳動。所以穩定雲台幾乎都用 BLDC 直驅，靠高極數換取低速下的力矩平順度，並把齒槽轉矩壓到最小。這段的選型邏輯與產線伺服是同一套，只是慣量比與轉矩的量級小了三個數量級；完整方法見〈伺服馬達怎麼選？三個數字決定機構動得準不準〉。
四、雙光：兩支相機只在一個距離對得準
EO 負責「認」，IR 負責「找」，這是雙光酬載的分工。但兩支相機是兩個分開的入瞳，之間有基線，物理上就不可能在所有距離都疊合。
基線 40 mm 的兩支相機，指向同一點時的視差角是基線除以距離。標定時如果在 122 m 對齊，飛到 30 m 近距離觀察時：視差角 1.33 mrad，換算成 EO 的 96 µrad 像素是 13.9 個像素，換算成 IR 25 mm 的 480 µrad 像素是 2.78 個像素。反過來飛到 500 m，視差只剩 0.83 個 EO 像素。
| 目標距離 | 視差角 | EO 像素偏移 | IR 像素偏移 |
|---|---|---|---|
| 30 m | 1.33 mrad | 13.9 px | 2.78 px |
| 122 m | 0.33 mrad | 3.42 px | 0.68 px |
| 500 m | 0.08 mrad | 0.83 px | 0.17 px |
紅外線鏡頭的熱離焦，比想像中嚴重
鍺是長波紅外最常用的透鏡材料，折射率 4.0032（10 µm）、熱膨脹係數 6 ppm/K，但折射率溫度係數高達 396 ppm/K——比一般光學玻璃高將近兩個數量級。單片鍺透鏡的焦距溫度係數是 6 − 396 ÷ (4.0032 − 1) = −126 ppm/K。
對 25 mm 的鏡頭、40 K 的溫差（地面 35 °C 起飛、高空遇上冷空氣，這個溫差很普通），焦距漂移 126 µm。而 f/1.0、容許模糊圈取一個像素 12 µm 時，焦深只有 ±12 µm——漂移量是焦深的十倍以上。更麻煩的是，鋁殼在同樣 40 K 下會把探測器往後推 23 µm，方向跟焦距漂移相反，總失焦接近 150 µm。所以紅外線鏡頭必須做消熱差設計，靠高膨脹係數的間隔件推動鏡組，或用鍺與硫系玻璃的混合設計讓兩者的溫度係數互相抵消。沒有處理這一段的酬載，會在飛行中慢慢糊掉，而且地面測試看不出來。
順帶一提，f/1.0 在 10 µm 波長下的艾里斑直徑是 2.44 × 10 × 1.0 = 24.4 µm，剛好兩個像素——這就是為什麼長波紅外鏡頭幾乎都做在 f/1.0 到 f/1.4，沒有縮光圈換景深的空間。鍍膜的部分見〈光學鍍膜入門〉。
五、飛控整合與目標定位
酬載要能被任務規劃叫得動，也要能把看到的東西換算成地面坐標回報出去。這一段是軟體介面，也是誤差預算。
介面：MAVLink 的雲台協定
PX4 與 ArduPilot 都走 MAVLink 的 Gimbal Protocol v2。這份協定把雲台拆成兩個角色：Gimbal Device 是硬體本身，回報 GIMBAL_DEVICE_INFORMATION 與 GIMBAL_DEVICE_ATTITUDE_STATUS；Gimbal Manager 負責仲裁來自地面站、任務腳本與機載電腦的多方指令，而且是網路上唯一能直接命令該裝置的一方。任務端要做的指向控制走 MAV_CMD_DO_GIMBAL_MANAGER_PITCHYAW（給角度）或 MAV_CMD_DO_SET_ROI_LOCATION（給地面坐標，讓雲台自己算角度並持續指著它）。
把角色分清楚很重要：大部分「雲台會亂跑」的整合問題，不是控制迴路壞了，而是地面站與機載程式同時在下指令，而系統裡根本沒有 Gimbal Manager 做仲裁。
定位：誤差幾乎全部來自航向角
影像上的一個點要換算成地面坐標，用的是「機體位置 + 機體姿態 + 雲台角度 + 斜距」。地面誤差大致等於斜距乘上總角度誤差。以飛高 122 m、雲台俯角 45°（斜距 172.5 m）為例，把各項誤差以平方和開根號（RSS）合起來：
雙天線航向的精度取決於基線長度：兩支天線的相對位置由載波相位解算，位置殘差除以基線長度就是角度誤差。基線越長越準，所以實務上會盡量把兩支天線拉開在機臂兩端；Inertial Sense 的說明文件建議多頻段方案的基線至少 0.25 m，更短仍可運作但穩定度下降。另外別忘了衛星定位本身的位置誤差也會直接加進去：一般單點定位大約 ±1 m，RTK 可以到公分級——在上面那個磁力計的例子裡，1 m 的位置誤差被 6.1 m 的角度誤差蓋過去，但換成雙天線之後它就變成主要項了。誤差預算要整份重算，不能只換一項。
導引：讓飛機自己跟著目標
介面接通之後，還有一層是把影像端的資訊回授給飛控：追蹤器在畫面上鎖定一個目標，算出它偏離中心的角度，再轉成雲台的角速度命令讓它回到中心；同時把解算出的目標坐標寫進 MAV_CMD_DO_SET_ROI_LOCATION，飛控就能規劃繞飛航線、維持觀測角度。這一段的延遲預算跟產線上的取像與運動同步是同一類問題——影像處理慢 100 ms，在 10 m/s 的速度下就是 1 m 的滯後；處理方法見〈EtherCAT 與多軸同步：分散式時鐘為什麼重要〉裡談同步誤差怎麼變成位置誤差的那一段。
六、三種場域，三組不一樣的規格
同樣是 EO/IR 雙光，任務不同，該優化的東西完全相反。
消防與搜救
優先：覆蓋與偵測速度。先用寬視場的 IR 掃出熱異常，再用 EO 確認。長波紅外看得穿煙——煙粒直徑遠小於 10 µm 波長，散射弱——但看不穿水蒸氣與玻璃，射水之後畫面會整片白掉。
- 火場溫度遠超過人體，需要高低增益雙檔位，否則火點附近全部飽和
- 夜間飛航依法禁止，公務單位須先取得排除許可
- 地速要壓在拖影門檻以下，否則掃得快等於掃得爛
電力、橋梁與風機巡檢
優先：解析度與可重複性。要抓的是異常溫升與結構裂縫，判定靠的是同一支線路上各點的相對溫差，不是絕對溫度——絕對值會被發射率、反射背景與距離全部影響。
- 瓷礙子會反射天空與太陽，看起來像熱點，需要換角度複驗
- 航線要可重複，才能跟上次的影像逐點比對
- 裂縫判讀通常吃 EO 解析度，IR 只負責先圈出可疑區
公務監偵（ISR）
優先：滯空時間與定位精度。長時間觀測時，酬載每多 100 g、每多 1 W 都直接換算成航時損失；而回報的坐標要能讓地面單位直接前往，誤差預算就必須做到公尺級。
- 非製冷長波紅外在功耗與即時開機上贏過製冷型，代價是作用距離
- 航向精度是定位誤差的主導項，優先於雲台編碼器
- 影像鏈路的延遲與加密要跟指揮體系的需求一起定
七、法規會直接決定規格
台灣的遙控無人機規範寫在《民用航空法》的遙控無人機專章與《遙控無人機管理規則》裡。以下幾條會直接改變酬載的設計條件，不是合規文件寫一寫就算了。
| 規定 | 對酬載設計的影響 |
|---|---|
| 飛航高度不得逾距地面或水面 400 呎（約 122 公尺） | 飛高被鎖死，要提高判讀等級只能加焦距，而焦距一長就換來更窄的覆蓋與更嚴的穩定度要求 |
| 須在目視範圍內操作，不得以矯正鏡片以外的工具延伸距離 | 作用距離的設計上限跟著目視距離走；延伸視距飛航限於以操作人為中心半徑 900 公尺、400 呎高度內，且須配置目視觀察員 |
| 禁止於日落後至日出前飛航 | 夜間搜救等任務須先取得排除許可，酬載的低光規格要配合實際核准的時段來定 |
| 不得投擲或噴灑任何物件、不得裝載公告之危險物品 | 酬載限於觀測與量測，任何投放機構都不在範圍內 |
| 不得於人群聚集或室外集會遊行上空活動；同一時間不得控制二架以上 | 都市場域的航線與觀測幾何受限，會回頭影響視場與俯角的設計 |
| 自然人所有最大起飛重量 250 公克以上須註冊；政府機關（構）、學校或法人所有者一律須註冊，操作人並須持操作證 | 整機重量預算（含酬載）是行政分級的門檻，不只是航時問題 |
八、合作怎麼開始
最有效率的起點不是規格書，是三個問題的答案。
要在多高看到多大的東西？
給我們目標的實際尺寸與任務飛高，以及要「知道有東西」還是「認得出是什麼」。這兩個數字一出來，焦距與感測器的可行範圍就收斂到兩三個選項。
載具是什麼？剩多少重量與功率？
機型、最大起飛重量、目前的酬載餘量與供電規格，還有飛控是 PX4 還是 ArduPilot、版本多少。這決定雲台的尺寸級距與介接方式。
結果要交給誰、以什麼形式？
是現場即時判讀、事後報告，還是要寫進既有的資訊系統？影像要不要坐標、要不要留存原始輻射資料，對板卡與儲存的規格影響很大。
把任務條件給我們，先算一份規格
不需要先有規格書。告訴我們飛高、目標與載具，我們會回一份像上面那樣、每個數字都可以自己驗算的規格建議與誤差預算。
延伸閱讀
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