Высокоточный лидар фиксирует 3D-структуры плавления в интенсивном пламени

• Исследована коммерческая система LIDAR для изображения 3D-структур, плавящихся в огне. 
• Они успешно измерили 3D-объекты с точностью до 30 микрометров на расстоянии 2 метра. 
• Система может генерировать точные детали при наличии сильного отклонения сигнала и искажений, вызванных пламенем. 

Для изучения влияния огня на здания и другие конструкции необходимо проанализировать деформирующиеся объекты, такие как трубы, колонны или балки, подвергающиеся воздействию горячего пламени. Обычно для этого требуются измерения с точностью до миллиметра, что крайне сложно выполнить в условиях интенсивного пожара.

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

Теперь группа ученых из Национального института стандартов и технологий сфотографировала 3D-объекты, плавящиеся в огне, с помощью системы LIDAR (LIght Detection And Ranging). Он обеспечивает небольшой, надежный и безопасный способ измерения объектов, деформирующихся в огне.

Демонстрация LIDAR

Для демонстрации своих исследований команда использовала коммерческую систему LIDAR. Они нанесли на карту расстояния до плавящихся предметов в огне, образующих большое количество сажи. Им удалось измерить 3D-объекты с точностью до 30 микрометров с расстояния 2 метра.

Им нужен был объект, который не плавился бы слишком медленно или слишком быстро, и можно было бы видеть, как на его внутреннюю структуру влияет горячая окружающая среда. Поэтому они сосредоточились на двух вещах:пластиковой игрушке и кусочках шоколада.

Экспериментальная дальномерная установка | С разрешения исследователей 

Почему ЛИДАР?

LIDAR измеряет расстояние до объекта, освещая его импульсным лазерным светом и отслеживая отраженные импульсы с помощью датчика. Эта технология предлагает множество преимуществ для визуализации через огонь:она чувствительна и способна обнаруживать мелкие предметы, даже если пламя несет в себе частицы сажи.

Более того, этот метод работает на определенных расстояниях, достаточно больших, чтобы защитить инструменты от тепла огня. Это оборудование небольшое, портативное и основано на использовании обычных фотодетекторов и оптоволокна.

Как это работает?

Лазерный луч постоянно проходит через оптический диапазон частот в системе трехмерного картографирования. Первоначальный луч света объединяется с лучом, отраженным целевым объектом.

Затем напряжение последнего импульса проверяется посредством цифровой обработки сигналов для получения изменяющихся во времени данных, которые представляют собой расстояние между объектом и инструментом. Разница частот исходного и отраженного светового луча усиливается с расстоянием.

Гетеродин (метод обработки сигналов) делает возможными измерения при низких обратных сигналах и маскирует фоновое излучение пламени, а высокая скорость обновления позволяет системе эффективно работать при наличии искаженных сигналов.

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

LIDAR использовался для измерения и картографирования трехмерных облаков точек (вокселов, образующих изображение) в экстремальных условиях пожара с высоким рассеянием и искажением импульсов. Например, при плавлении шоколада каждый кадр лидара состоял из 7500 точек, чего достаточно, чтобы точно отобразить процесс деформации шоколада.

3D-форма пластикового скелета | С разрешения исследователей 

Что касается пластикового скелета, кадр LIDAR обнажил сложные формы за пламенем (включая детали бедер и грудной клетки), которые почти не были видны на обычном видео. В целом система достаточно эффективна, чтобы генерировать точные детали даже при сильном отклонении сигнала и искажениях, вызванных пламенем.

Читайте:Самый мощный лазер, способный разрушить вакуум и создать антиматерию

Первые эксперименты проводились с пламенем шириной всего 50 миллиметров, создаваемым лабораторными горелками. Однако метод LIDAR можно применить к более крупным структурам и пожарам. Исследователи планируют расширить масштаб своей демонстрации:они будут создавать 3D-изображения более крупных объектов в пламени шириной один метр для количественных наблюдений.