Высокоточный LIDAR захватывает 3D-структуры плавления в интенсивных пламенях

• Исследователи использовали коммерческую LIDAR-систему для визуализации 3D-структур, плавящихся в огне.
• Они успешно измерили 3D-объекты с точностью 30 микрометров с расстояния 2 метров.
• Система может генерировать точные детали в присутствии высокого отклонения и искажения сигнала, вызванных пламенем.

Для изучения влияния огня на здания и другие структуры необходимо анализировать деформирующиеся объекты, такие как трубы, колонны или балки, пораженные горячими пламенями. Обычно это требует измерений с субмиллиметровой точностью, которые крайне сложно выполнить в условиях интенсивного пожара.

Мы могли бы использовать технику оптического измерения дальности для решения практических проблем, вызванных структурными пожарами, которые не могут быть проанализированы традиционными электромеханическими датчиками, установленными на зданиях.

Теперь команда ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST) визуализировала 3D-объекты, плавящиеся в огне, используя систему LIDAR (LIght Detection And Ranging). Она предоставляет небольшое, надежное и безопасное средство измерения объектов по мере их деформации в пламени.

Демонстрация LIDAR

Команда использовала коммерческую LIDAR-систему для демонстрации своего исследования. Они отобразили расстояния до плавиющихся предметов за огнем, производящим большое количество сажи. Они смогли измерить 3D-объекты с точностью 30 микрометров с 2-метрового расстояния.

Они хотели объект, который не плавится слишком медленно или слишком быстро, и внутреннюю структуру которого можно было бы видеть, пораженную горячим окружением. Поэтому они сфокусировались на двух вещах: пластиковой игрушке и кусочках шоколада.

Экспериментальная установка дальномера | По материалам исследователей

Почему LIDAR?

LIDAR измеряет расстояние до объекта, освещая его импульсным лазерным светом и отслеживая отраженные импульсы через сенсор. Технология предлагает многочисленные преимущества для визуализации сквозь огонь: она чувствительна и способна обнаруживать малые предметы даже когда пламя несет частицы сажи.

Более того, техника работает на определенных расстояниях, которые достаточно далеки, чтобы держать инструменты в безопасности от жара пожара. Это оборудование компактно, портативно и полагается на обычные фотодетекторы и волоконную оптику.

Как это работает?

Лазерный луч непрерывно сканирует через оптический частотный диапазон в трехмерной системе картирования. Начальный луч света объединяется с лучом, отраженным целевым объектом.

Затем напряжение конечного импульса изучается через цифровую обработку сигналов для производства временно-вариативных данных, которые представляют расстояние между объектом и инструментом. Частотная разница между начальным лучом света и отраженным усиливается с расстоянием.

Гетеродин (техника обработки сигналов) делает измерения при низких возвращаемых сигналах возможными и маскирует фоновое излучение пламени, в то время как быстрая частота обновления позволяет системе эффективно работать в присутствии искаженных сигналов.

Ссылка: OSAPublishing | doi:10.1364/optica.5.000988 | NIST

LIDAR использовался для измерения и картирования 3D-точечных облаков (вокселей, формирующих изображение) в экстремальных пожарных условиях с высоким рассеянием импульсов и искажением. Например, в плавиющемся шоколаде каждый отдельный кадр LIDAR состоял из 7 500 точек, чего достаточно для точной визуализации процесса деформации шоколада.

3D-форма пластикового скелета | По материалам исследователей

Для пластикового скелета кадр LIDAR раскрыл сложные формы за пламенем (включая детали бедер и грудной клетки), которые были едва видны в типичном видео. В целом, система достаточно эффективна для генерации точных деталей в присутствии высокого отклонения и искажения сигнала, вызванных пламенем.

Читайте также: Самый мощный лазер, способный прорвать вакуум для генерации антиматерии

Ранние эксперименты выполнялись только с пламенем шириной 50 миллиметров, произведенным лабораторными горелками. Однако метод LIDAR может быть развернут для более крупных структур и пожаров. Исследователи планируют масштабировать свою демонстрацию: они сгенерируют 3D-изображения более крупных объектов в пламени шириной один метр для количественных наблюдений.