Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een laserdetectie- en bereiksysteem (LADAR) gebruikt om driedimensionale (3D) objecten in beeld te brengen die in vlammen smelten. De methode zou een nauwkeurige, veilige en compacte manier om constructies te meten als ze instorten bij brand.

Optische bereikmetingen, reeds gebruikt in productie en andere gebieden, kan helpen bij het overwinnen van praktische uitdagingen van structurele branden, die te heet zijn om te meten met conventionele elektromechanische sensoren die op gebouwen zijn gemonteerd.

Zoals beschreven in optiek , de NIST-demonstratie gebruikte een commercieel LADAR-systeem om afstanden in kaart te brengen tot objecten die smelten achter vlammen die verschillende hoeveelheden roet produceerden. Het experiment mat 3D-oppervlakken met een precisie van 30 micrometer (miljoensten van een meter) of beter vanaf 2 meter afstand. Dit precisieniveau voldoet aan de vereisten voor de meeste structurele brandonderzoekstoepassingen, volgens het papier.

De NIST-demonstratie concentreerde zich op stukjes chocolade en een plastic speelgoed.

"We hadden iets nodig dat niet te snel of te langzaam smelt, maar je ziet nog steeds een effect, " legt projectleider Esther Baumann uit. "En ik hou van chocolade."

LADAR biedt verschillende voordelen als hulpmiddel voor beeldvorming door middel van vlammen. De techniek is zeer gevoelig en is in staat om objecten in beeld te brengen, zelfs als er kleine hoeveelheden roet in de vlammen aanwezig zijn. De methode werkt ook op afstand, van ver genoeg weg dat de apparatuur veilig is tegen de intense hitte van een brand. In aanvulling, het instrument kan compact en draagbaar zijn, vertrouwen op glasvezel en eenvoudige fotodetectoren.

"Het project kwam enigszins toevallig samen toen we 'vuurmensen' aan het praten kregen met 'opticamensen, '" zei NIST-bouwkundig ingenieur Matthew Hoehler. "De samenwerking is niet alleen vruchtbaar geweest, het was leuk."

In het 3D-kaartsysteem een laser zwaait continu over een band van optische frequenties. De initiële laseroutput wordt gecombineerd met het gereflecteerde licht van het doel. De resulterende "beat"-signalen worden gedetecteerd, en deze spanning wordt vervolgens geanalyseerd door digitale signaalverwerking om tijdvertragingsgegevens te genereren, gelijk aan afstand. (Het verschil in frequentie tussen het initiële signaal en het signaal dat van het doel wordt ontvangen, neemt toe met de afstand.)

De onderzoekers hebben LADAR met succes toegepast om 3-D "puntenwolken" te meten en in kaart te brengen - punten zijn de "voxels" die een afbeelding vormen - zelfs in een turbulente brandomgeving met sterke signaalverstrooiing en vervorming. Ter vergelijking, het team maakte ook video's van de chocolade terwijl deze smolt en afbeeldingen van een complexer plastic skelet.

Voor de smeltende chocolade, elk LADAR-frame bestond uit 7, 500 punten voldoende om het chocoladevervormingsproces vast te leggen. Het plastic skelet was nauwelijks zichtbaar in de conventionele video, maar de 3D-puntenwolk onthulde complexe vormen die anders verborgen waren achter vlammen - details van de ribbenkast en heupen.

De onderzoekers stelden vast dat het LADAR-systeem snel genoeg was om signaalvervormingen te overwinnen, en dat afbuigingen van de laserstraal als gevolg van de vlammen kunnen worden opgevangen door de signalen over de tijd te middelen, hoge precisie te behouden.

De eerste experimenten werden uitgevoerd met vlammen van slechts 50 millimeter breed op laboratoriumbranders van de University of Colorado Boulder. De voorlopige resultaten suggereren dat de LADAR-techniek kan worden toegepast op grotere objecten en branden. Het NIST-team is nu van plan het experiment op te schalen, eerst 3D-afbeeldingen maken van objecten door vlammen van ongeveer 1 meter breed en, als dat werkt, om kwantitatieve waarnemingen te doen van grotere structurele branden.