高精度激光雷达捕捉强烈火焰中的 3D 熔化结构

为了研究火灾对建筑物和其他结构的影响，有必要分析受热火焰影响的变形物体，如管道、柱或梁。通常，它需要亚毫米精度的测量，这在烈火条件下执行起来极其困难。

我们可以利用光学测距技术来处理结构火灾引起的实际问题，这是安装在建筑物上的传统机电传感器无法分析的。

现在，美国国家标准与技术研究所的一组科学家使用 LIDAR（光探测和测距）系统对在火中融化的 3D 物体进行了成像。它提供了一种小型、可靠且安全的方法来测量物体在火焰中变形时的情况。

该团队使用商用激光雷达系统来展示他们的研究。他们绘制了火后熔化物品的距离，产生大量烟灰。他们能够在 2 米的距离内以 30 微米的精度测量 3D 物体。

他们想要一个融化速度不会太慢或太快的物体，并且你可以看到它的内部结构受到周围高温的影响。因此，他们专注于两件事：塑料玩具和巧克力片。

实验测距设置|由研究人员提供

为什么选择激光雷达？

激光雷达通过用脉冲激光照射物体并通过传感器监测反射脉冲来测量到物体的距离。该技术为火焰成像提供了众多优势：即使火焰携带一些烟灰颗粒，它也很灵敏并且能够检测小物体。

此外，该技术在一定距离内起作用，足以保证仪器免受火热的影响。这些设备体积小、便于携带，并且依赖于传统的光电探测器和光纤。

激光束连续扫过三维测绘系统中的光学频带。初始光束与目标物体反射的光束合并。

然后通过数字信号处理检查最终脉冲的电压，以产生随时间变化的数据，该数据代表物体和仪器之间的距离。初始光束和反射光束之间的频率差随着距离的增加而放大。

外差（一种信号处理技术）可以在低返回信号下进行测量，并屏蔽火焰的背景辐射，而快速的更新速率使系统能够在存在失真信号的情况下高效工作。

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

LIDAR 用于在具有高脉冲散射和失真的极端火灾条件下测量和绘制 3D 点云（形成图像的体素）。例如，在融化巧克力时，每个激光雷达帧由 7,500 个点组成，足以准确成像巧克力变形的过程。

塑料骨架的 3D 形状 |由研究人员提供

对于塑料骨架，激光雷达框架揭示了火焰后面的复杂形状（包括臀部和胸腔的细节），这在典型视频中几乎不可见。总体而言，该系统足以有效地在存在火焰引起的高信号偏转和失真的情况下生成精确的细节。

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早期的实验是通过实验室燃烧器产生的仅 50 毫米宽的火焰进行的。然而，激光雷达方法可以应用于更大的结构和火灾。研究人员计划扩大他们的演示：他们将在一米宽的火焰中生成较大物体的 3D 图像，以进行定量观察。

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