Hochpräzises LIDAR erfasst 3D-Schmelzstrukturen in intensiven Flammen

• Forschung nutzte ein kommerzielles LIDAR-System, um im Feuer schmelzende 3D-Strukturen abzubilden. 
• Sie haben erfolgreich 3D-Objekte mit einer Genauigkeit von 30 Mikrometern aus einer Entfernung von 2 Metern gemessen. 
• Das System kann bei starker Signalauslenkung und Verzerrung durch Flammen präzise Details erzeugen. 

Um die Auswirkungen von Feuer auf Gebäude und andere Bauwerke zu untersuchen, ist es notwendig, die sich verformenden Objekte wie Rohre, Säulen oder Balken zu analysieren, die von heißen Flammen betroffen sind. Normalerweise sind Messungen mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich erforderlich, die unter intensiven Brandbedingungen äußerst schwierig durchzuführen sind.

Wir könnten die Technik der optischen Entfernungsmessung nutzen, um praktische Probleme zu lösen, die durch Gebäudebrände verursacht werden und mit herkömmlichen, an Gebäuden installierten elektromechanischen Sensoren nicht analysiert werden können.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern am National Institute of Standards and Technology mithilfe eines LIDAR-Systems (LIght Detection And Ranging) 3D-Objekte abgebildet, die im Feuer schmelzen. Es bietet eine kleine, zuverlässige und sichere Möglichkeit, Objekte bei ihrer Verformung in Flammen zu messen.

Demonstration von LIDAR

Das Team nutzte ein kommerzielles LIDAR-System, um seine Forschung zu demonstrieren. Sie kartierten Entfernungen zu schmelzenden Gegenständen hinter Feuer, die eine große Menge Ruß erzeugten. Sie konnten 3D-Objekte mit einer Genauigkeit von 30 Mikrometern aus einer Entfernung von 2 Metern vermessen.

Sie wollten ein Objekt, das weder zu langsam noch zu schnell schmilzt und dessen innere Struktur durch die heiße Umgebung beeinträchtigt wird. Deshalb konzentrierten sie sich auf zwei Dinge:ein Plastikspielzeug und Schokoladenstücke.

Experimenteller Entfernungsaufbau | Mit freundlicher Genehmigung von Forschern 

Warum LIDAR?

LIDAR misst die Entfernung zu einem Objekt, indem es es mit gepulstem Laserlicht beleuchtet und die reflektierten Impulse über einen Sensor überwacht. Die Technologie bietet zahlreiche Vorteile für die Bildgebung durch Feuer:Sie ist empfindlich und kann kleine Gegenstände erkennen, selbst wenn Flammen Rußpartikel mit sich führen.

Darüber hinaus funktioniert die Technik in bestimmten Abständen, die groß genug sind, um Instrumente vor der Hitze des Feuers zu schützen. Diese Geräte sind klein, tragbar und basieren auf herkömmlichen Fotodetektoren und Glasfasern.

Wie funktioniert es?

Ein Laserstrahl durchläuft kontinuierlich ein optisches Frequenzband im dreidimensionalen Kartierungssystem. Der anfängliche Lichtstrahl wird mit dem vom Zielobjekt reflektierten Strahl verschmolzen.

Anschließend wird die Spannung des letzten Impulses mittels digitaler Signalverarbeitung untersucht, um zeitvariante Daten zu erzeugen, die den Abstand zwischen Objekt und Instrument darstellen. Der Frequenzunterschied zwischen dem ursprünglichen und dem reflektierten Lichtstrahl vergrößert sich mit der Entfernung.

Der Heterodyn (eine Signalverarbeitungstechnik) ermöglicht Messungen bei niedrigen Rücksignalen und blendet die Hintergrundstrahlung von Flammen aus, während die schnelle Aktualisierungsrate es dem System ermöglicht, auch bei Vorhandensein verzerrter Signale effizient zu arbeiten.

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

LIDAR wurde zur Messung und Kartierung von 3D-Punktwolken (Voxel, die ein Bild bilden) unter extremen Brandbedingungen mit hoher Impulsstreuung und -verzerrung verwendet. Beim Schmelzen von Schokolade beispielsweise besteht jeder einzelne LIDAR-Rahmen aus 7.500 Punkten, was ausreicht, um den Prozess der Schokoladenverformung genau abzubilden.

3D-Form des Kunststoffskeletts | Mit freundlicher Genehmigung von Forschern 

Beim Kunststoffskelett enthüllte der LIDAR-Rahmen komplexe Formen hinter Flammen (einschließlich Details von Hüfte und Brustkorb), die in einem typischen Video kaum sichtbar waren. Insgesamt ist das System effektiv genug, um auch bei starker Signalauslenkung und Verzerrung durch Flammen präzise Details zu erzeugen.

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Die ersten Experimente wurden mit nur 50 Millimeter breiten Flammen durchgeführt, die über Laborbrenner erzeugt wurden. Die LIDAR-Methode kann jedoch auch bei größeren Bauwerken und Bränden eingesetzt werden. Die Forscher planen, ihre Demonstration auszuweiten:Sie werden 3D-Bilder größerer Objekte in ein Meter breiten Flammen für quantitative Beobachtungen erstellen.