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

• Se investigó un sistema LIDAR comercial utilizado para obtener imágenes en 3D de estructuras que se derriten en el incendio. 
• Midieron con éxito objetos 3D con una precisión de 30 micrómetros desde una distancia de 2 metros. 
• El sistema puede generar detalles precisos en presencia de una alta desviación de la señal y distorsión causada por las llamas. 

Para estudiar las influencias del fuego en edificios y otras estructuras, es necesario analizar los objetos deformantes como tuberías, columnas o vigas afectados por las llamas calientes. Por lo general, requiere mediciones con precisión submilimétrica, que son extremadamente difíciles de realizar en condiciones de incendio intenso.

Podríamos utilizar la técnica de medición del rango óptico para abordar problemas prácticos causados por incendios estructurales, que no pueden ser analizados por sensores electromecánicos tradicionales instalados en edificios.

Ahora, un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ha fotografiado objetos en 3D derritiéndose en el fuego, utilizando un sistema LIDAR (detección y alcance de luz). Proporciona una forma pequeña, fiable y segura de medir objetos a medida que se deforman con las llamas.

Demostración de LIDAR

El equipo utilizó un sistema LIDAR comercial para demostrar su investigación. Mapearon las distancias hasta los objetos que se derriten detrás del fuego y que producen una gran cantidad de hollín. Pudieron medir objetos 3D con una precisión de 30 micrómetros desde una distancia de 2 metros.

Querían un objeto que no se derritiera ni demasiado lento ni demasiado rápido, y se pudiera ver que su estructura interna se veía afectada por el calor circundante. Por eso, se centraron en dos cosas:un juguete de plástico y trozos de chocolate.

Configuración de alcance experimental | Cortesía de investigadores 

¿Por qué LIDAR?

LIDAR mide la distancia a un objeto iluminándolo con luz láser pulsada y monitoreando los pulsos reflejados a través de un sensor. La tecnología ofrece numerosas ventajas para obtener imágenes a través del fuego:es sensible y capaz de detectar objetos pequeños incluso cuando las llamas transportan algunas partículas de hollín.

Además, la técnica funciona a determinadas distancias que son suficientes para mantener los instrumentos a salvo del calor del fuego. Estos equipos son pequeños, portátiles y se basan en fotodetectores convencionales y fibra óptica.

¿Cómo funciona?

Un rayo láser recorre continuamente 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 mediante procesamiento de señal digital para producir datos variables en el tiempo, que representan la distancia entre el objeto y el instrumento. La diferencia de frecuencia entre el haz de luz inicial y el reflejado se amplifica con la distancia.

El heterodino (una técnica de procesamiento de señales) hace posibles las mediciones con señales de bajo retorno y enmascara la radiación de fondo de las llamas, mientras que la rápida velocidad de actualización permite que el sistema funcione eficientemente en presencia de señales distorsionadas.

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

LIDAR se utilizó para medir y mapear nubes de puntos 3D (vóxeles que forman una imagen) en condiciones de incendio extremas con alta dispersión y distorsión de pulsos. Por ejemplo, al derretir chocolate, cada cuadro LIDAR constaba de 7500 puntos, lo que es suficiente para visualizar con precisión el proceso de deformación del chocolate.

Forma 3D del esqueleto de plástico | Cortesía de investigadores 

Para el esqueleto de plástico, el marco LIDAR reveló formas complejas detrás de las llamas (incluidos detalles de las caderas y la caja torácica), que apenas eran visibles en un vídeo típico. En general, el sistema es lo suficientemente eficaz como para generar detalles precisos en presencia de una alta desviación de la señal y distorsión causada por las llamas.

Leer:El láser más potente que puede romper el vacío para generar antimateria

Los primeros experimentos se realizaron con llamas de sólo 50 milímetros de ancho producidas mediante quemadores de laboratorio. Sin embargo, el método LIDAR se puede implementar en estructuras e incendios más grandes. Los investigadores planean ampliar su demostración:generarán imágenes en 3D de objetos más grandes en llamas de un metro de ancho para realizar observaciones cuantitativas.