LIDAR de alta precisão captura estruturas de fusão 3D em chamas intensas

• Pesquisou-se o sistema comercial LIDAR para obter imagens de estruturas 3D que derreteram no fogo. 
• Eles mediram objetos 3D com precisão de 30 micrômetros a uma distância de 2 metros. 
• O sistema pode gerar detalhes precisos na presença de alta deflexão de sinal e distorção causada por chamas. 

Para estudar as influências do fogo em edifícios e outras estruturas, é necessário analisar os objetos deformantes como tubos, colunas ou vigas afetados por chamas quentes. Normalmente, requer medições com precisão submilimétrica, que são extremamente difíceis de realizar em condições de incêndio intenso.

Poderíamos usar a técnica de medição de alcance óptico para lidar com problemas práticos causados por incêndios estruturais, que não podem ser analisados pelos sensores eletromecânicos tradicionais instalados em edifícios.

Agora, uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia obteve imagens de objetos 3D derretendo no fogo, usando um sistema LIDAR (LIght Detection And Ranging). Ele fornece uma maneira pequena, confiável e segura de medir objetos à medida que eles se deformam em chamas.

Demonstração do LIDAR

A equipe utilizou um sistema LIDAR comercial para demonstrar sua pesquisa. Eles mapearam as distâncias até os itens derretidos atrás do fogo, produzindo uma grande quantidade de fuligem. Eles foram capazes de medir objetos 3D com uma precisão de 30 micrômetros a uma distância de 2 metros.

Eles queriam um objeto que não derretesse muito devagar ou muito rápido, e você pudesse ver sua estrutura interna sendo afetada pelo calor do ambiente. Portanto, eles se concentraram em duas coisas:um brinquedo de plástico e pedaços de chocolate.

Configuração experimental de alcance | Cortesia de pesquisadores 

Por que LIDAR?

O LIDAR mede a distância até um objeto iluminando-o com luz laser pulsada e monitorando os pulsos refletidos através de um sensor. A tecnologia oferece inúmeras vantagens para imagens através do fogo:é sensível e capaz de detectar pequenos itens mesmo quando as chamas carregam algumas partículas de fuligem.

Além disso, a técnica funciona a certas distâncias que são suficientes para manter os instrumentos protegidos do calor do fogo. Esses equipamentos são pequenos, portáteis e contam com fotodetectores convencionais e fibra óptica.

Como funciona?

Um feixe de laser varre continuamente uma banda de frequência óptica no sistema de mapeamento tridimensional. O feixe de luz inicial é mesclado com o feixe refletido pelo objeto alvo.

Em seguida, a tensão do pulso final é examinada por meio de processamento de sinal digital para produzir dados variantes no tempo, que representam a distância entre o objeto e o instrumento. A diferença de frequência entre o feixe de luz inicial e o refletido aumenta com a distância.

O heteródino (uma técnica de processamento de sinal) possibilita medições com sinais de baixo retorno e mascara a radiação de fundo das chamas, enquanto a rápida taxa de atualização permite que o sistema funcione eficientemente na presença de sinais distorcidos.

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

O LIDAR foi usado para medir e mapear nuvens de pontos 3D (voxels formando uma imagem) em condições extremas de incêndio com alta dispersão e distorção de pulso. Por exemplo, no derretimento do chocolate, cada quadro LIDAR é composto por 7.500 pontos, o que é suficiente para visualizar com precisão o processo de deformação do chocolate.

Forma 3D do esqueleto de plástico | Cortesia de pesquisadores 

Para o esqueleto de plástico, a moldura LIDAR revelou formas complexas por trás das chamas (incluindo detalhes de quadris e caixa torácica), que dificilmente eram visíveis em um vídeo típico. No geral, o sistema é eficaz o suficiente para gerar detalhes precisos na presença de alta deflexão e distorção do sinal causada por chamas.

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Os primeiros experimentos foram realizados com chamas de apenas 50 milímetros de largura produzidas em queimadores de laboratório. No entanto, o método LIDAR pode ser implantado em estruturas e incêndios maiores. Os investigadores planeiam ampliar a sua demonstração:irão gerar imagens 3D de objetos maiores em chamas com um metro de largura para observações quantitativas.