Holdet viser, at laserafstandsmåling kan se 3D-objekter smelte i brande

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har brugt et laserdetektions- og afstandssystem (LADAR) til at afbilde tredimensionelle (3-D) objekter, der smelter i flammer. Metoden kunne tilbyde en præcis, sikker og kompakt måde at måle strukturer på, når de kollapser i brande.

Optiske rækkevidde målinger, allerede brugt i fremstilling og andre områder, kan hjælpe med at overvinde praktiske udfordringer fra strukturelle brande, som er for varme til at måle med konventionelle elektromekaniske sensorer monteret på bygninger.

Som beskrevet i Optica , NIST-demonstrationen brugte et kommercielt LADAR-system til at kortlægge afstande til objekter, der smeltede bag flammer, der producerede varierende mængder sod. Forsøget målte 3-D overflader med en præcision på 30 mikrometer (milliontedele af en meter) eller bedre fra 2 meters afstand. Dette præcisionsniveau opfylder kravene til de fleste strukturelle brandforskningsapplikationer, ifølge avisen.

NIST-demonstrationen fokuserede på stykker chokolade og et plastiklegetøj.

"Vi havde brug for noget, der ikke smelter for hurtigt eller for langsomt, men du ser stadig en effekt, " Projektleder Esther Baumann forklarede. "Og jeg kan godt lide chokolade."

LADAR tilbyder flere fordele som et værktøj til billeddannelse gennem flammer. Teknikken er meget følsom og er i stand til at afbilde objekter, selv når der er små mængder sod i flammerne. Metoden virker også på afstand, fra så langt væk, at udstyret er sikkert mod den intense varme fra en brand. Ud over, instrumentet kan være kompakt og bærbart, afhængig af fiberoptik og simple fotodetektorer.

"Projektet kom sammen lidt serendipitalt, da vi fik 'brandfolk' til at tale med 'optikfolk,' '" NIST konstruktionsingeniør Matthew Hoehler sagde. "Samarbejdet har ikke kun været frugtbart, det har været sjovt."

I 3-D kortlægningssystemet, en laser fejer kontinuerligt hen over et bånd af optiske frekvenser. Det indledende laseroutput kombineres med det reflekterede lys fra målet. De resulterende "beat"-signaler detekteres, og denne spænding analyseres derefter ved digital signalbehandling for at generere tidsforsinkelsesdata, svarende til afstand. (Forskellen i frekvens mellem det indledende signal og det, der modtages fra målet, stiger med afstanden.)

Forskerne har med succes anvendt LADAR til at måle og kortlægge 3-D "punktskyer" - punkter er de "voxeller", der udgør et billede - selv i et turbulent brandmiljø med stærk signalspredning og forvrængning. Til sammenligning, holdet lavede også videoer af chokoladen, mens den smeltede, og billeder af et mere komplekst plastikskelet.

Til den smeltende chokolade, hver LADAR-ramme bestod af 7, 500 point tilstrækkeligt til at fange chokoladedeformationsprocessen. Plastikskelettet var næsten ikke synligt i den konventionelle video, men 3D-punktskyen afslørede komplekse former, der ellers var skjult bag flammer – detaljer om brystkassen og hofterne.

Forskerne fastslog, at LADAR-systemet var hurtigt nok til at overvinde signalforvrængninger, og at afbøjninger af laserstrålen på grund af flammerne kunne imødekommes ved at tage et gennemsnit af signalerne over tid, for at bevare høj præcision.

De indledende eksperimenter blev udført med flammer på kun 50 millimeter brede på laboratoriebrændere ved University of Colorado Boulder. De foreløbige resultater tyder på, at LADAR-teknikken kunne anvendes på større genstande og brande. NIST-holdet planlægger nu at opskalere eksperimentet, først til at lave 3D-billeder af objekter gennem flammer på omkring 1 meter bred og, hvis det virker, at foretage kvantitative observationer af større strukturelle brande.