LIDAR de alta precisión captura estructuras 3D de fusión en llamas intensas

• Investigadores usaron sistema LIDAR comercial para imaginar estructuras 3D fundiéndose en el fuego.
• Midieron objetos 3D con precisión de 30 micrómetros desde 2 metros de distancia.
• El sistema genera detalles precisos con alta deflexión y distorsión de señal causada por llamas.

Para estudiar influencias del fuego en edificios y otras estructuras, es necesario analizar objetos deformantes como tuberías, columnas o vigas afectadas por llamas calientes. Usualmente, requiere mediciones con precisión sub-milimétrica, extremadamente difíciles de realizar en condiciones de fuego intenso.

Podríamos usar técnica de medición de rango óptico para lidiar con problemas prácticos causados por incendios estructurales, que no pueden analizarse por sensores electromecánicos tradicionales instalados en edificios.

Ahora un equipo de científicos del National Institute of Standards and Technology ha imaginado objetos 3D fundiéndose en el fuego, usando un sistema LIDAR (LIght Detection And Ranging). Proporciona una forma pequeña, fiable y segura de medir objetos mientras se deforman en llamas.

Demostrando LIDAR

El equipo usó un sistema LIDAR comercial para demostrar su investigación. Mapearon distancias a items fundiéndose detrás de fuego produciendo gran cantidad de hollín. Pudieron medir objetos 3D con precisión de 30 micrómetros desde 2 metros de distancia.

Querían un objeto que no se funda demasiado lento ni demasiado rápido, y se pudiera ver su estructura interna afectada por el entorno caliente. Por tanto, se enfocaron en dos cosas: un juguete de plástico y trozos de chocolate.

Configuración experimental de rango | Cortesía de los investigadores

¿Por qué LIDAR?

LIDAR mide distancia a un objeto iluminándolo con luz láser pulsada y monitorizando los pulsos reflejados a través de un sensor. La tecnología ofrece numerosas ventajas para imagenar a través del fuego: es sensible y capaz de detectar items pequeños incluso cuando las llamas llevan partículas de hollín.

Además, la técnica funciona a ciertas distancias suficientemente lejanas para mantener instrumentos seguros del calor del fuego. Estos equipos son pequeños, portátiles y dependen de fotodetectores convencionales y fibra óptica.

¿Cómo funciona?

Un haz láser barre continuamente a través de una banda de frecuencia óptica en el sistema de mapeo tridimensional. El haz de luz inicial se fusiona con el haz reflejado por el objeto objetivo.

Luego el voltaje del pulso final se examina via procesamiento digital de señales para producir datos variables en tiempo, que representan la distancia entre objeto e instrumento. La diferencia de frecuencia entre el haz de luz inicial y el reflejado amplifica con la distancia.

La técnica heterodina (técnica de procesamiento de señales) hace posibles mediciones en señales de retorno bajas y enmascara radiación de fondo de llamas, mientras que la tasa de actualización rápida permite al sistema trabajar eficientemente en presencia de señales distorsionadas.

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

LIDAR se usó para medir y mapear nubes de puntos 3D (voxels formando una imagen) en condiciones extremas de fuego con alta dispersión de pulsos y distorsión. Por ejemplo, en chocolate fundiéndose, cada frame LIDAR individual comprendía 7.500 puntos, suficiente para imaginar con precisión el proceso de deformación del chocolate.

Forma 3D del esqueleto de plástico | Cortesía de los investigadores

Para esqueleto de plástico, el frame LIDAR reveló formas complejas detrás de llamas (incluyendo detalles de caderas y caja torácica), que eran apenas visibles en video típico. En general, el sistema es lo suficientemente efectivo para generar detalles precisos en presencia de alta deflexión y distorsión de señal causada por llamas.

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Los experimentos tempranos se realizaron con llamas de solo 50 milímetros de ancho producidas via quemadores de laboratorio. Sin embargo, el método LIDAR puede desplegarse en estructuras y fuegos más grandes. Los investigadores planean escalar su demostración: generarán imágenes 3D de objetos más grandes en llamas de un metro de ancho para observaciones cuantitativas.