고정밀 LIDAR는 강렬한 불꽃 속에서 녹는 구조를 3D로 포착합니다

• 상업용 LIDAR 시스템을 사용하여 화재로 녹아내리는 3D 구조물을 이미지화하는 방법을 연구했습니다. 
• 그들은 2미터 거리에서 30마이크로미터의 정확도로 3D 물체를 성공적으로 측정했습니다. 
• 시스템은 화염으로 인한 높은 신호 편향 및 왜곡이 있는 경우 정확한 세부 정보를 생성할 수 있습니다. 

건물 및 기타 구조물에 대한 화재의 영향을 연구하려면 뜨거운 화염에 의해 영향을 받는 파이프, 기둥 또는 빔과 같은 변형 물체를 분석해야 합니다. 일반적으로 밀리미터 미만의 정밀도로 측정해야 하는데, 이는 강렬한 화재 상황에서 수행하기가 극히 어렵습니다.

광학 범위 측정 기술을 사용하면 건물에 설치된 기존 전자 기계 센서로는 분석할 수 없는 구조 화재로 인한 실제 문제를 처리할 수 있습니다.

이제 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 과학자 팀은 LIDAR(LIght 감지 및 범위 지정) 시스템을 사용하여 불 속에서 녹는 3D 물체를 이미지화했습니다. 화염 속에서 물체가 변형될 때 물체를 측정하는 작고 안정적이며 안전한 방법을 제공합니다.

LIDAR 시연

팀은 상용 LIDAR 시스템을 사용하여 연구를 시연했습니다. 그들은 많은 양의 그을음을 생성하는 불 뒤에서 녹는 물체까지의 거리를 매핑했습니다. 그들은 2미터 거리에서 30 마이크로미터의 정확도로 3D 물체를 측정할 수 있었습니다.

그들은 너무 느리거나 너무 빨리 녹지 않는 물체를 원했고, 뜨거운 주변 환경에 의해 내부 구조가 영향을 받는 것을 볼 수 있었습니다. 따라서 그들은 플라스틱 장난감과 초콜릿 조각이라는 두 가지에 중점을 두었습니다.

실험적인 범위 설정 | 연구원 제공 

왜 LIDAR인가요?

LIDAR는 펄스 레이저 광으로 물체를 조명하고 센서를 통해 반사된 펄스를 모니터링하여 물체까지의 거리를 측정합니다. 이 기술은 화재를 통한 이미징에 많은 이점을 제공합니다. 즉, 민감도가 높고 화염에 그을음 입자가 묻어 있는 경우에도 작은 품목을 감지할 수 있습니다.

더욱이 이 기술은 장비를 화재 열로부터 안전하게 보호할 수 있을 만큼 충분히 먼 특정 거리에서 작동합니다. 이 장비는 작고 휴대 가능하며 기존의 광검출기와 광섬유를 사용합니다.

어떻게 작동하나요?

레이저 빔은 3차원 매핑 시스템의 광학 주파수 대역을 지속적으로 통과합니다. 초기 광선은 대상 물체에 의해 반사된 광선과 병합됩니다.

그런 다음 디지털 신호 처리를 통해 최종 펄스의 전압을 검사하여 물체와 기기 사이의 거리를 나타내는 시변 데이터를 생성합니다. 초기 광선과 반사된 광선 사이의 주파수 차이는 거리에 따라 증폭됩니다.

헤테로다인(신호 처리 기술)은 낮은 반사 신호에서 측정을 가능하게 하고 화염의 배경 복사를 차단하는 반면, 빠른 업데이트 속도를 통해 왜곡된 신호가 있는 경우에도 시스템이 효율적으로 작동할 수 있습니다.

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

LIDAR는 펄스 산란 및 왜곡이 심한 극한의 화재 조건에서 3D 포인트 클라우드(그림을 구성하는 복셀)를 측정하고 매핑하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 초콜릿을 녹이는 경우 모든 단일 LIDAR 프레임은 7,500개의 포인트로 구성되어 초콜릿 변형 과정을 정확하게 이미지화하기에 충분합니다.

플라스틱 뼈대의 3D 모양 | 연구원 제공 

플라스틱 뼈대의 경우, LIDAR 프레임은 일반적인 영상에서는 거의 볼 수 없었던 화염 뒤의 복잡한 형상(엉덩이와 흉곽의 디테일 포함)을 드러냈습니다. 전반적으로 이 시스템은 화염으로 인한 높은 신호 편향 및 왜곡이 있는 경우 정확한 세부 정보를 생성할 수 있을 만큼 효과적입니다.

읽기:진공을 깨고 반물질을 생성할 수 있는 가장 강력한 레이저

초기 실험은 실험실 버너를 통해 생성된 폭이 50mm에 불과한 화염으로 수행되었습니다. 그러나 LIDAR 방법은 더 큰 구조물과 화재에도 적용할 수 있습니다. 연구원들은 시연 규모를 확대할 계획입니다. 정량적 관찰을 위해 1미터 폭의 불꽃 속에서 더 큰 물체의 3D 사진을 생성할 것입니다.