高精度 LIDAR が激しい炎の 3D 溶融構造を捕捉

• 市販の LIDAR システムを使用して、火災で溶けた 3D 構造物を画像化する研究を実施。 
• 彼らは、2 メートルの距離から 30 マイクロメートルの精度で 3D オブジェクトを測定することに成功しました。 
• このシステムは、炎による大きな信号の偏向や歪みが存在する場合でも、正確な詳細を生成できます。 

建物やその他の構造物に対する火災の影響を研究するには、高温の炎の影響を受けて変形するパイプ、柱、梁などの物体を分析する必要があります。通常、ミリメートル未満の精度での測定が必要ですが、激しい火災状況ではこれを実行するのは非常に困難です。

光学距離測定技術を使用すれば、建物に設置された従来の電気機械センサーでは分析できない、構造火災によって引き起こされる実際的な問題に対処できます。

現在、国立標準技術研究所の科学者チームは、LIDAR (光検出測距) システムを使用して、火の中で溶けている 3D 物体を画像化しました。これは、炎の中で変形する物体を測定するための、小型で信頼性が高く安全な方法を提供します。

LIDAR のデモンストレーション

研究チームは市販の LIDAR システムを使用して研究を実証しました。彼らは、大量のすすを生成する火の背後で溶けている物体までの距離をマッピングしました。彼らは、2 メートルの距離から 30 マイクロメートルの精度で 3D オブジェクトを測定することができました。

彼らは、溶けるのが遅すぎず、速すぎず、内部構造が周囲の高温によって影響を受けるのがわかるような物体を求めていました。したがって、彼らはプラスチックのおもちゃとチョコレート片という 2 つのことに焦点を当てました。

実験的な測距セットアップ |研究者提供

なぜ LIDAR を使うのですか?

LIDAR は、パルスレーザー光で物体を照射し、センサーで反射パルスを監視することにより、物体までの距離を測定します。このテクノロジーは、火を通しての画像化に多くの利点をもたらします。感度が高く、炎にすす粒子が付着している場合でも小さなアイテムを検出できます。

さらに、この技術は、機器を火災の熱から守るのに十分な距離があれば機能します。これらの機器は小型で持ち運びが可能で、従来の光検出器と光ファイバーを利用しています。

仕組みは?

レーザー ビームは、3 次元マッピング システムの光周波数帯域を継続的に掃引します。最初の光ビームは、ターゲット オブジェクトによって反射されたビームとマージされます。

次に、最終パルスの電圧がデジタル信号処理によって検査され、物体と機器の間の距離を表す時変データが生成されます。最初の光ビームと反射された光ビームの間の周波数の差は、距離が進むにつれて増幅します。

ヘテロダイン (信号処理技術) により、低反射信号での測定が可能になり、炎の背景放射がマスクされます。一方、高速更新レートにより、歪んだ信号が存在する場合でもシステムが効率的に動作することが可能になります。

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

LIDAR は、パルス散乱と歪みが大きい極端な火災条件下での 3D 点群 (画像を形成するボクセル) の測定とマッピングに使用されました。たとえば、チョコレートを溶かす場合、各 LIDAR フレームは 7,500 点で構成されており、チョコレートの変形プロセスを正確に画像化するには十分です。

プラスチックスケルトンの 3D 形状 |研究者提供

プラスチック製のスケルトンの場合、LIDAR フレームは、通常のビデオではほとんど見ることができなかった、炎の背後にある複雑な形状 (腰や胸郭の詳細を含む) を明らかにしました。全体として、このシステムは、炎による大きな信号の偏向や歪みが存在する場合でも、正確な詳細を生成するのに十分な効果を発揮します。

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初期の実験は、実験室用バーナーによって生成された幅わずか 50 ミリメートルの炎を使用して実行されました。ただし、LIDAR 手法は、より大きな構造物や火災にも導入できます。研究者らはデモンストレーションの規模を拡大することを計画しています。幅 1 メートルの炎の中にある大きな物体の 3D 画像を生成して、定量的な観察を行う予定です。