Uiterst nauwkeurige LIDAR legt 3D-smeltstructuren vast in intense vlammen

• Onderzoek gedaan naar een gebruikt commercieel LIDAR-systeem om 3D-structuren in beeld te brengen die smelten in de brand. 
• Ze hebben met succes 3D-objecten gemeten met een nauwkeurigheid van 30 micrometer vanaf een afstand van 2 meter. 
• Het systeem kan nauwkeurige details genereren in de aanwezigheid van hoge signaalafbuiging en vervorming veroorzaakt door vlammen. 

Om de invloeden van brand op gebouwen en andere constructies te bestuderen, is het noodzakelijk om de vervormende objecten zoals pijpen, kolommen of balken te analyseren die zijn aangetast door hete vlammen. Meestal zijn metingen met een precisie van minder dan een millimeter nodig, wat uiterst moeilijk uit te voeren is bij hevige brandomstandigheden.

We zouden de techniek voor het meten van het optische bereik kunnen gebruiken om praktische problemen op te lossen die worden veroorzaakt door structurele branden, die niet kunnen worden geanalyseerd door traditionele elektromechanische sensoren die op gebouwen zijn geïnstalleerd.

Nu heeft een team van wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology 3D-objecten in beeld gebracht die smelten in het vuur, met behulp van een LIDAR-systeem (LIght Detection And Ranging). Het biedt een kleine, betrouwbare en veilige manier om objecten te meten terwijl ze vervormen in vlammen.

LIDAR demonstreren

Het team gebruikte een commercieel LIDAR-systeem om hun onderzoek te demonstreren. Ze brachten de afstanden in kaart tot smeltende voorwerpen achter vuur, waarbij een grote hoeveelheid roet ontstond. Ze konden 3D-objecten meten met een nauwkeurigheid van 30 micrometer vanaf een afstand van 2 meter.

Ze wilden een object dat niet te langzaam of te snel smelt, en je kon zien dat de interne structuur ervan werd beïnvloed door de hete omgeving. Daarom concentreerden ze zich op twee dingen:een plastic speelgoed en stukjes chocolade.

Experimentele bereikopstelling | Met dank aan onderzoekers 

Waarom LIDAR?

LIDAR meet de afstand tot een object door het te verlichten met gepulseerd laserlicht en de gereflecteerde pulsen via een sensor te monitoren. De technologie biedt tal van voordelen voor beeldvorming door vuur:het is gevoelig en kan kleine voorwerpen detecteren, zelfs als de vlammen roetdeeltjes bevatten.

Bovendien werkt de techniek op bepaalde afstanden die ver genoeg zijn om instrumenten te beschermen tegen vuurhitte. Deze apparatuur is klein, draagbaar en maakt gebruik van conventionele fotodetectoren en glasvezel.

Hoe werkt het?

Een laserstraal beweegt voortdurend door een optische frequentieband in het driedimensionale kaartsysteem. De initiële lichtstraal wordt samengevoegd met de straal die door het doelobject wordt gereflecteerd.

Vervolgens wordt de spanning van de laatste puls onderzocht via digitale signaalverwerking om tijdsvariante gegevens te produceren, die de afstand tussen object en instrument vertegenwoordigen. Het frequentieverschil tussen de initiële lichtbundel en de gereflecteerde lichtbundel wordt groter naarmate de afstand groter wordt.

De heterodyne (een signaalverwerkingstechniek) maakt metingen bij signalen met een laag rendement mogelijk en maskeert achtergrondstraling van vlammen, terwijl de snelle updatesnelheid het systeem in staat stelt efficiënt te werken in de aanwezigheid van vervormde signalen.

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

LIDAR werd gebruikt voor het meten en in kaart brengen van 3D-puntenwolken (voxels die een beeld vormen) onder extreme brandomstandigheden met hoge pulsverstrooiing en vervorming. Bij het smelten van chocolade bestaat elk LIDAR-frame bijvoorbeeld uit 7.500 punten, wat voldoende is om het proces van chocoladevervorming nauwkeurig in beeld te brengen.

3D-vorm van het plastic skelet | Met dank aan onderzoekers 

Voor een plastic skelet onthulde het LIDAR-frame complexe vormen achter vlammen (inclusief details van heupen en ribbenkast), die in een typische video nauwelijks zichtbaar waren. Over het geheel genomen is het systeem effectief genoeg om nauwkeurige details te genereren in de aanwezigheid van hoge signaalafbuiging en vervorming veroorzaakt door vlammen.

Lees:De krachtigste laser die het vacuüm kan doorbreken om antimaterie te genereren

De eerste experimenten werden uitgevoerd met slechts 50 millimeter brede vlammen geproduceerd via laboratoriumbranders. De LIDAR-methode kan echter worden ingezet bij grotere constructies en branden. De onderzoekers zijn van plan hun demonstratie op te schalen:ze zullen 3D-foto's genereren van grotere objecten in vlammen van een meter breed voor kwantitatieve observaties.