美科研人员利用LiDAR研究结构抗火设计

据麦姆斯咨询报道，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology， NIST）的研究人员使用激光雷达（LiDAR）系统对在火焰中熔化的物体进行3D成像，提供了一种精确、安全、简便的方法来测量物体在火焰中坍塌的结构变化。

基于光学距离测量的LiDAR系统已经广泛应用于制造业、勘测以及自动驾驶等领域，或能帮助解决结构抗火设计所提出的实际挑战，这种情况下的结构温度太高，无法采用建筑上安装的传统机电传感器进行测量。

这项研究已经在Optica期刊发表，据文章介绍，NIST采用了一款商业化的LiDAR系统，对烟雾缭绕的火焰中的物体进行距离测量。该实验在2 m距离外所测量的3D表面精度达到了30 um以上。文章称，这种测量精度能够满足大部分结构火灾研究应用的要求。

LiDAR穿过火焰生成的100万点云伪彩色3D渲染图

NIST采用了巧克力和塑料玩具进行演示实验。

“我们需要那种熔化既不会太快又不会太慢，同时又能让我们看到效果的材料，”项目负责人Esther Baumann解释称，“而且，我喜欢巧克力！”

穿过火焰进行3D成像，LiDAR具有多种优势。该技术灵敏度非常高，即使面对火焰中的少量烟灰，也能对物体进行成像。该方法还可以在距离火焰一定距离的安全区域工作，避免设备受高温影响。此外，运用光纤和简单的光电探测器，LiDAR测量仪器可以做得紧凑且便携。

“在我们尝试让‘光学专家’和‘燃烧专家’进行交流时，这个项目便很偶然的诞生了，”NIST结构工程师Matthew Hoehler说：“两个研究领域的合作不仅富有成效，而且非常有趣。”

在3D测绘系统中，激光在一段频率上进行连续扫描。初始激光输出与来自目标的反射光组合产生“拍频”信号，然后通过探测该信号，并利用数字信号处理分析该电压，以获得和距离相关的延时数据。（初始信号与从目标反射而接收的信号之间的频率差异，随着距离的增加而增加）

即使在具有强信号散射和失真的湍流火焰环境，研究人员也可以成功应用LiDAR测量并绘制3D点云图（点云是构成3D成像的“体素”）。作为对比，该团队还制作了火焰中巧克力融化的视频，以及更复杂的塑料骨架的融化图像。

NIST研究人员证明，LiDAR可以对火焰后面融化的一块巧克力生成连续的点云图。巧克力融化变形过程持续6分钟，视频进行了加速处理。视频中用伪彩色表示深度，蓝色表示最接近，红色表示最远。

对于融化的巧克力，每帧LiDAR图像由足以捕捉巧克力变形过程的7500个点云组成。塑料骨架的融化，在传统视频中都隐藏在火焰里面，几乎看不到，但3D点云图可以揭示复杂的形状变化，清晰的显示胸腔和臀部的细节。

研究人员通过实验确定，LiDAR系统的速度足以克服信号失真问题，并且可以通过随时间平均信号来调节由火焰引起的激光束偏转，以保持高精度。

最初的实验是在科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的实验室燃烧器上用50 mm宽的火焰进行的。初步结果表明，LiDAR技术可以应用于更大的物体和燃烧现场。 NIST团队现正计划扩大实验范围，计划首先穿过约1 m宽的火焰进行物体的3D成像，如果可行的话，可以对更大的结构燃烧进行定量观测。