高精度LIDARが激しい炎の中で溶融構造を3D撮像

建物やその他構造物への火災影響を研究するには、熱い炎の影響を受けるパイプ、柱、梁などの変形オブジェクトを分析する必要があります。通常、サブミリメートル精度の測定が必要ですが、激しい火災条件下では極めて困難です。

構造火災による実用的問題に対処するために光学測距技術を使用できます。これは、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ません。

現在、米国国立標準技術研究所（NIST）の科学者チームが、LIDAR（光検出と測距）システムを使用して、火災で溶融する3Dオブジェクトを撮像しました。これは、炎の中で変形するオブジェクトを測定する小型、信頼性が高く、安全な方法を提供します。

LIDARの実証

チームは市販LIDARシステムを使用して研究を実証しました。大量のすすを生成する火災の背後にある溶融アイテムまでの距離をマッピングしました。2メートル距離から30マイクロメートル精度で3Dオブジェクト測定に成功しました。

溶けすぎず、速すぎず、高温環境で内部構造が影響を受ける様子が見えるオブジェクトを求めました。したがって、プラスチックおもちゃとチョコレート片の2つに焦点を当てました。

実験測距セットアップ | 研究者提供

なぜLIDARか？

LIDARは、パルスレーザー光でオブジェクトを照射し、センサーを通じて反射パルスを監視することでオブジェクトまでの距離を測定します。この技術は、炎がすす粒子を運んでいても小さなアイテムを検知できる感度と能力を持ち、火災越しのイメージングに多くの利点を提供します。

さらに、この技術は火災の熱から機器を安全に保つのに十分な距離で動作します。これらの装置は小型、携帯可能、従来のフォトディテクタとファイバーオプティクスに依存します。

レーザービームが三次元マッピングシステムで光学周波数帯を継続的にスイープします。初期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合成されます。

その後、デジタル信号処理を通じて最終パルスの電圧を検査し、オブジェクトと装置間の距離を表す時間変動データを生成します。初期光ビームと反射ビームの周波数差は距離とともに増幅されます。

ヘテロダイン（信号処理技術）により、低リターン信号での測定が可能になり、炎の背景放射をマスクアウトします。一方、高速アップデートレートにより、歪んだ信号の存在下でもシステムが効率的に動作できます。

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

LIDARは、高パルス散乱と歪みを伴う極限火災条件下で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。例えば溶融チョコレートでは、単一LIDARフレームが7,500ポイントで構成され、チョコレート変形プロセスを正確にイメージするのに十分でした。

プラスチック骨格の3D形状 | 研究者提供

プラスチック骨格では、LIDARフレームが炎の背後にある複雑な形状（腰と胸郭の詳細を含む）を明らかにし、これらは通常の動画ではほとんど見えませんでした。全体として、システムは炎による高い信号偏向と歪みの存在下でも精密ディテールを生成するのに十分効果的です。

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初期実験は実験室バーナーで生成されたわずか50ミリ幅の炎で実施されました。しかし、LIDAR手法はより大きな構造と火災に展開可能です。研究者たちはデモンストレーションをスケールアップする計画です：1メートル幅の炎でより大きなオブジェクトの3D画像を生成し、定量的観察を行います。

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