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P L A T A F O R M A T E C N O L Ó G I C A E S P A Ñ O L A D E L A C A R R E T E R A ( P T C )

Tecnologías ópticas para la detección del estado de la calzada. Aplicación para la

reducción de accidentalidad en carreterasAutores:

M. Ruiz Llata, G. A. Guarnizo HerreñoGrupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser – Universidad Carlos III de Madrid

Nº 03 / 2014Cuadernos Tecnológicos de la PTC

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La Plataforma Tecnológica Española de la Carretera (PTC) es el foro de encuentro apoyado por el Ministerio de Economía y Competitividad para todos los agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa con un papel relevante en el fomento del empleo, la competitividad y el crecimiento en el sector de las infraestructuras viarias en España.

Desde su presentación en sociedad en febrero de 2010, la PTC trabaja como una plataforma transversal que fomenta el intercambio fluido de información y las discusiones a nivel tecnológico entre los agentes privados y públicos del sector, con el objeto de contribuir a que España se convierta en el referente mundial en materia de tecnologías asociadas a la carretera.

La colección de publicaciones “Cuadernos Tecnológicos de la PTC” surge de los convenios de colaboración que la Plataforma mantiene con un importante número de instituciones académicas activas en la I+D+i en materia de infraestructuras viarias. Cada Cuaderno se incardina dentro de alguna o varias de las temáticas y sub-temáticas de la vigente Agenda Estratégica de Investigación de la Carretera en España (2011-2025).

LA COLECCIÓN “CUADERNOS TECNOLÓGICOS DE LA PTC”

Colección de Cuadernos Tecnológicos de la PTC

Año 2013

01/2013: Técnicas avanzadas de fusión de información de fuentes heterogéneas para la extracción de información de movilidad en carreteras

02/2013: Software para la explotación de datos LiDAR en carreteras

03/2013: Desarrollo de una metodología de análisis del coste de ciclo de vida

04/2013: Carga tarifaria y fiscal del transporte por carretera: un análisis comparado entre E.E.U.U. y Europa

05/2013: Captación de energía en carretera: colectores solares asfálticos

06/2013: Nuevo proceso de diseño geométrico para unas carreteras convencionales más seguras

07/2013: Informe del estado del arte sobre el factor humano en la conducción

08/2013: Optimización del uso de las carreteras existentes

09/2013: Diseño de estación de carga para vehículos eléctricos mediante energías renovables

Año 2012

01/2012: Análisis del Megatruck en España

02/2012: Conceptualización del transporte sostenible desde el comportamiento prosocial

03/2012: Consideraciones para la modificación de los límites de la velocidad en base a la accidentalidad

04/2012: Extrapolación de materiales viarios

05/2012: Gestión de la mejora de la movilidad

06/2012: Influencia de la meteorología adversa sobre las condiciones operacionales del tráfico y recomendaciones para la localización de sensores de variables atmosféricas

07/2012: Membranas flexibles ancladas al terreno para la estabilización de taludes en carreteras

08/2012: Priorización de actuaciones sobre accidentes de tráfico mediante reglas de decisión

09/2012: Sistemas lidar móvil para el inventario geométrico de carreteras

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Año 2011

01/2011: Los retos de “Sistemas de adquisición de información de tráfico: estado actual y futuro”

02/2011: Los retos de “Firmes Permeables”

03/2011: Los retos del “Sistema fotogramétrico para la medición remota de estructuras en programas de inspección de puentes”

04/2011: Los retos de “Pago por uso de las infraestructuras viarias: Estudio de los accesos a Madrid”

05/2011: Los retos del “Sistema eCall: Situación actual y estándares”

06/2011: Los retos de “La velocidad de operación y su aplicación en el análisis de la consistencia de carreteras para la mejora de la seguridad vial”

07/2011: Los retos de “Desarrollo de una metodología de análisis de ciclo de vida integral específica para carreteras”

08/2011: Los retos de “Control pasivo de velocidad: intervención en tramos de acceso a entornos urbanos”

Para cualquier información adicional, contacte con [email protected] o visite www.ptcarretera.es

Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 03/2014

En colaboración con:

Autores: M. Ruiz Llata, G. A. Guarnizo Herreño

Grupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser – Universidad Carlos III de Madrid

Tecnologías ópticas para la detección del estado de la calzada. Aplicación para la reducción de

accidentalidad en carreteras

Agenda Estratégica de Investigación de la Carretera en España

(2011-2025)

Temáticas: Sub-temáticas:

ITS y movilidadDesarrollo de aplicaciones que consigan la sinergia de los datos suministrados por el equipamiento ITS ya instalado en la infraestructura viaria en España

Seguridad vial

Tecnologías, herramientas y metodologías de soporte a la implementación de la Directiva Europea 2008/96/CE sobre gestión de la seguridad de las infraestructuras viarias y Accidentología y reconstrucción de accidentes

Índice

Índice �� 9

1� Introducción ��13

2� Importancia de la detección remota del estado de la calzada desde vehículos

(móvil)� ��15

3. Sensores para la estimación o medida del estado de la calzada. ��19

3�1� Sensores Meteorológicos �� 19

3�2� Microondas, LIDAR y Termometría Infrarroja �� 20

3.3. Sistemas de Visión Artificial �� 21

3.4. Sensores ópticos comerciales embarcados del estado de la calzada.

Evaluación del Estado actual del mercado� �� 22

4. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Fundamentos

de la Técnica de Medida e implementación ��25

4.1. Fundamentos de la técnica de medida �� 25

4.2. Implementación de sensores de estado de calzada basados en espectroscopia

óptica �� 26

5. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Resultados

experimentales de análisis del estado de la calzada ��31

5.1. Distinción de agua y hielo basada en birrefringencia �� 34

5.2. Distinción de estados de la calzada basados en coeficientes de absorción

9

diferentes �� 34

5.3.Detección de sal residual en la superficie de la calzada basada en fluorescencia

�� 36

5.4. Técnicas de procesamiento para sensores basados en espectroscopia óptica

�� 38

6. Descripción de un prototipo funcional de medida del estado de la calzada basado

en Tecnologías Ópticas ��43

7� Conclusiones ��49

8� Referencias ��51

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1. Introducción

El Grupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser de la Universidad Carlos III de Madrid ha estado trabajando los últimos años en la investigación de tecnología óptica para la monitorización del estado de la calzada. En este cuaderno se describen los fundamentos y las aportaciones realizadas por este grupo en dicha área. El documento se divide en varias secciones. En primer lugar se justifica la perspectiva de la gestión de la vialidad invernal basada en sensores embarcados que realizan una medida remota de las condiciones de la calzada y de otros parámetros que puedan ser relevantes para la toma de decisiones. A continuación se revisa el estado actual de la tecnología disponible y se discuten algunas alternativas en fase de investigación para sensores embarcados del estado de la calzada. Los siguientes apartados se centran en la experiencia directa del grupo de investigación y en ellos se describe y se justifica los sistemas de medida basados en técnicas de espectroscopia óptica detallando los experimentos realizados en los laboratorios para el desarrollo de sensores de estado de calzada y medida de salinidad residual sobre el pavimento. Finalmente se detallan las características y las pruebas de calibración de un sensor móvil de estado de calzada completamente funcional.

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Dentro de las actividades de mantenimiento de carreteras, las más costosas en recursos humanos y materiales son las que están relacionadas con la vialidad invernal y con fenómenos meteorológicos adversos. Las actividades de vialidad invernal tienen como objetivo facilitar la operación de los vehículos en condiciones adecuadas de seguridad, fluidez y comodidad durante la época invernal en aquellos tramos de carreteras afectados por los rigores del invierno. Aunque costosas, las actividades del mantenimiento de la vialidad invernal son necesarias, ya que las consecuencias y los costes indirectos derivados de la presencia de nieve y hielo en la superficie de la calzada pueden ser incalculables (por ejemplo retraso al acceso a los puestos de trabajo, retraso de vuelos, de transporte de mercancías, etc.) y además causa de numerosos accidentes tanto en la carretera como en las ciudades.

Los tratamientos preventivos y los tratamientos curativos son las dos operaciones clave en la prevención de accidentes y mantenimiento del flujo de tráfico ante episodios invernales. Los primeros consisten en el tratamiento de la carretera previo a la presencia de bajas temperaturas o precipitación, normalmente mediante el riego de la carretera con salmuera. Los segundos consisten en la retirada de nieve con vehículos de empuje y el tratamiento de la carretera con fundentes sólidos. La decisión acerca de las medidas preventivas que se han de tomar es compleja. Sirvan como ejemplo las siguientes fotografías (Figura 1): En la de la izquierda se muestra la autopista A-6 en el punto kilométrico 26 (entrada de Madrid) colapsada por falta de tratamientos preventivos (si se amplía la imagen, en el panel de mensaje variable puede leerse “quitanieves por carril izquierdo”). En la fotografía de la derecha se puede ver un puente sobre un acuífero con un exceso de salmuera acumulado en los márgenes de la carretera. Estas fotografías muestran que, por un lado, la falta de actuación conlleva grandes pérdidas económicas debido a que un recurso de uso masivo para el transporte de mercancías y personas puede dejar de estar operativo por causas meteorológicas e incluso por el mal estado de las vías. Por otro lado estas actuaciones preventivas suponen un costo y graves daños medioambientales. Entre las consecuencias negativas asociadas al esparcimiento de fundentes caben destacar la corrosión de los vehículos y puentes y otros elementos de la infraestructura viaria, la modificación del ecosistema de distintas especies de plantas y animales y la contaminación por cloratos de las corrientes de agua, cuyos efectos perduran a largo plazo y puede llegar a afectar a la calidad de aguas para consumo.

2. Importancia de la detección remota del estado de la calzada desde vehículos (móvil).

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Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 03/ 2014

El fin último de las operaciones de mantenimiento de carreteras durante la campaña invernal es por tanto esparcir el tipo correcto y la cantidad necesaria de sustancias químicas anticongelantes en el lugar adecuado y en el momento oportuno. Para lograr dichos objetivos en la actualidad se cuenta con modelos matemáticos que permiten determinar la evolución de las condiciones meteorológicas y predecir el riesgo de formación de hielo en áreas amplias de la carretera. Sin embargo, la predicción precisa y particular en tramos puntuales de la vía es difícil de realizar cuando sólo se dispone de equipos de sensores de variables ambientales en carretera (SEVAC) en puntos fijos concretos de la misma. Sirva de ejemplo España, en donde existen muchas carreteras en la red principal y secundaria en las que la variabilidad en el riesgo de formación de hielo es muy elevada. Son zonas en las que la temperatura fluctúa alrededor de los 0ºC durante varios meses del año, carreteras de montaña en las que varían en pocos cientos de metros las condiciones de humedad y temperatura, entradas y salidas de túneles y viaductos y en otras vías urbanas e interurbanas en las que la presencia de agua y humedad puede provocar la aparición de hielo.

La alternativa que se está implantando es dotar a los vehículos gestionados por las empresas de mantenimiento con sensores específicos [Ye12] tal y como se muestra en la Figura 2. De esta manera, una observación directa de las condiciones ambientales y de la calzada, mediante sensores fijos instalados en puntos estratégicos así como embarcados en vehículos de mantenimiento, y acompañada de los sistemas de comunicación adecuados, va a permitir mejorar la toma de decisiones y reducir costes de tratamientos preventivos (por sobreactuación) y tratamientos paliativos. A más largo plazo la información de este tipo de sensores se podrá integrar en sistemas cooperativos [Rey12].

Los tipos de sensores que pueden resultar más útiles en vialidad invernal son los sensores de temperatura y humedad del aire, los sensores de temperatura de calzada (termómetros infrarrojos) y los sensores del estado de la calzada remotos. De estos últimos existen muy

consisten en la retirada de nieve con vehículos de empuje y el tratamiento de la carretera con fundentes sólidos. La decisión acerca de las medidas preventivas que se han de tomar es compleja. Sirvan como ejemplo las siguientes fotografías: En la de la izquierda se muestra la autopista A-6 en el punto kilométrico 26 (entrada de Madrid) colapsada por falta de tratamientos preventivos (si se amplía la imagen, en el panel de mensaje variable puede leerse “quitanieves por carril izquierdo”). En la fotografía de la derecha se puede ver un puente sobre un acuífero con un exceso de salmuera acumulado en los márgenes de la carretera. Estas fotografías muestran que, por un lado, la falta de actuación conlleva grandes pérdidas económicas debido a que un recurso de uso masivo para el transporte de mercancías y personas puede dejar de estar operativo por causas meteorológicas e incluso por el mal estado de las vías. Por otro lado estas actuaciones preventivas suponen un costo y graves daños medioambientales. Entre las consecuencias negativas asociadas al esparcimiento de fundentes caben destacar la corrosión de los vehículos y puentes y otros elementos de la infraestructura viaria, la modificación del ecosistema de distintas especies de plantas y animales y la contaminación por cloratos de las corrientes de agua, cuyos efectos perduran a largo plazo y puede llegar a afectar a la calidad de aguas para consumo.

Ilustración 1: (Izquierda) Tráfico colapsado debido a carencia de tratamientos preventivos. (Derecha) Contaminación de acuífero debido a un exceso de sal sobre la calzada.

El fin último de las operaciones de mantenimiento de carreteras durante la campaña invernal es por tanto esparcir el tipo correcto y la cantidad necesaria de sustancias químicas anticongelantes en el lugar adecuado y en el momento oportuno. Para lograr dichos objetivos en la actualidad se cuenta con modelos matemáticos que permiten determinar la evolución de las condiciones meteorológicas y predecir el riesgo de formación de hielo en áreas amplias de la carretera. Sin embargo, la predicción precisa y particular en tramos puntuales de la vía es difícil de realizar cuando sólo se dispone de equipos de sensores de variables ambientales en carretera (SEVAC) en puntos fijos concretos de la misma. Sirva de ejemplo España, en donde existen muchas carreteras en la red principal y secundaria en las que la variabilidad en el riesgo de formación de hielo es muy elevada. Son zonas en las que la temperatura fluctúa alrededor de los 0ºC durante varios meses del año, carreteras de montaña en las que varían en pocos cientos de metros las condiciones de humedad y temperatura, entradas y salidas de túneles y viaductos y en otras vías urbanas e interurbanas en las que la presencia de agua y humedad puede provocar la aparición de hielo.

Figura 1.(Izquierda) Tráfico colapsado debido a carencia de tratamientos preventivos. (Derecha) Contaminación de acuífero debido a un exceso de sal sobre la calzada.

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Tecnologías ópticas para la detección del estado de la calzada. Aplicación para la reducción de accidentalidad en carreteras

pocas soluciones comerciales y se encuentran actualmente en una fase de alta inversión en investigación y desarrollo a nivel internacional. La información que pueden proporcionar este tipo de sensores son:

• Posibles estados de la calzada consecuencia de causas climáticas (por ejemplo seco, mojado, con escarcha, con nieve, con hielo).

• Una cifra numérica estimación del coeficiente de fricción.

• Temperatura de congelación.

• Cantidad de sal residual.

La alternativa que se está implantando es dotar a los vehículos gestionados por las empresas de mantenimiento con sensores específicos [Ye12] tal y como se muestra en la ilustración 2. De esta manera, una observación directa de las condiciones ambientales y de la calzada, mediante sensores fijos instalados en puntos estratégicos así como embarcados en vehículos de mantenimiento, y acompañada de los sistemas de comunicación adecuados, va a permitir mejorar la toma de decisiones y reducir costes de tratamientos preventivos (por sobreactuación) y tratamientos paliativos. A más largo plazo la información de este tipo de sensores se podrá integrar en sistemas cooperativos [Rey12].

Ilustración 2: Perspectiva de la gestión de la vialidad invernal basada en sensores embarcados.

Los tipos de sensores que pueden resultar más útiles en vialidad invernal son los sensores de temperatura y humedad del aire, los sensores de temperatura de calzada (termómetros infrarrojos) y los sensores del estado de la calzada remotos. De estos últimos existen muy pocas soluciones comerciales y se encuentran actualmente en una fase de alta inversión en investigación y desarrollo a nivel internacional. La información que pueden proporcionar este tipo de sensores son:

Posibles estados de la calzada consecuencia de causas climáticas (por ejemplo seco, mojado, con escarcha, con nieve, con hielo).

Figura 2. Perspectiva de la gestión de la vialidad invernal basada en sensores embarcados.

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En este apartado se revisan las soluciones actuales para la monitorización de variables meteorológicas y del estado de la calzada que se pueden utilizar para la toma de decisiones.

3.1. Sensores Meteorológicos

Las estaciones meteorológicas en carretera son instalaciones fijas destinadas a realizar el registro de diversas variables atmosféricas. Son sistemas de predicción del tiempo que han sido adaptados para ser ubicados en lugares donde son más frecuentes las incidencias por condiciones relacionadas por el clima. La información obtenida de estas estaciones sirve para realizar previsiones meteorológicas y para la realización de diversos estudios climáticos.

Las variables que usualmente se miden en estas estaciones son: Temperatura ambiente, presión atmosférica, humedad relativa, velocidad y dirección del viento y cantidad de precipitación de agua. Algunas estaciones de sensores de variables atmosféricas en carretera también incorporan sensores empotrados en el asfalto que proporcionan información sobre su temperatura a distinta profundidad o sobre el estado de la misma. Para registrar la sustancia presente sobre la calzada (agua, hielo, nieve) mediante contacto directo [Tro11] se mide el cambio en la permitividad relativa de un sensor capacitivo cuyo comportamiento a distintas frecuencias permite distinguir el tipo de sustancia sobre el sensor. Este tipo de sensores presenta buenos resultados en identificación, pero tienen el inconveniente de ser estáticos y registrar solamente el estado de la carretera donde se encuentran instalados evitando su utilización en otros entornos. Estas estaciones son muy útiles para los organismos encargados de controlar las condiciones climáticas de una región, sin embargo la desigual distribución geográfica de las mismas dificulta en ocasiones realizar estudios completos que abarquen la mayor cantidad de área posible. Este último inconveniente también se presenta cuando se desea realizar un registro completo del estado de una carretera para mantener un control sobre el estado de la misma.

Algunos de los sensores usados para la medida de variables atmosféricas, sobre todo en estaciones meteorológicas sofisticadas como las instaladas en aeropuertos, cuentan con tecnología óptica. Dentro de estos cabe señalar los siguientes:

3. Sensores para la estimación o medida del estado de la calzada.

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• De temperatura de pavimento por infrarrojo.

• De visibilidad: Estos sensores miden el rango visual de la atmósfera dentro de una determinada distancia utilizando generalmente una fuente de luz colimada y monocromática (laser).

• De tiempo presente: Estos sensores registran la distribución y velocidad de caída de una precipitación e incluso pueden identificar su tipo: Lluvia, granizo, nieve. Para realizar esta tarea utilizan tecnología de microondas o laser.

• De altura de nubes: Estos sensores utilizan un láser para medir la altura de las nubes a través de la emisión y detección de un pulso de luz enviado verticalmente. Las partículas presentes en las nubes son de tamaño similar a la de la longitud de onda empleada en los sensores.

• Del estado de la calzada: Se basan en técnicas de espectroscopia por reflexión difusa. Actualmente existen solamente dos alternativas comerciales.

3.2. Microondas, LIDAR y Termometría Infrarroja

Las diversas tecnologías existentes para la medida del estado del asfalto por medios no intrusivos refleja el interés en aportar alternativas confiables para dar resultados encaminados a mejorar la seguridad vial. Algunas de estas alternativas involucran el uso de equipos de medida muy grandes para ser llevados dentro de vehículos convencionales lo cual dificultaría su implementación en plataformas embebidas. La tecnología radar se incluye dentro de esta categoría y, a través de medidas tanto en ambientes controlados como en campo, se pueden llegar a identificar diferencias entre estados como el mojado y hielo [Hak13]. El principio de medida consiste en la utilización de frecuencias dentro de las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical), específicamente a 24 GHz para medir la polarización horizontal y vertical en reflexión difusa. Los resultados indican diferencias entre las superficies sobre todo debidas al hielo, aunque la influencia de la superficie rugosa del asfalto dificulta lograr medidas precisas. Un antecedente de este tipo de mediciones estudia la frecuencia de 76 GHz para las propiedades de dispersión en la superficie [Vii09]. También vale la pena mencionar las pruebas realizadas con un sensor de microondas que, pese a ser usado en un lugar fijo de la carretera posee un tamaño ligero [Nis05]. Este dispositivo permite diferenciar estados mojado, hielo y seco basado en la intensidad de reflexión del pavimento en estos estados por medio de una antena que emite a una frecuencia de 10.5 GHz. Para la detección de hielo es necesario utilizar de forma complementaria la medida de temperatura de acuerdo a las pruebas realizadas en campo.

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Otra tecnología existente para el registro del asfalto es la utilización de sistemas LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), los cuales consisten en emisores/receptores laser que emiten pulsos que se propagan hasta encontrar la superficie donde se dispersan en múltiples direcciones, una de las cuales es captada por el receptor que, de acuerdo a cambios en la intensidad, longitud de onda y fase de la señal, puede identificar el tipo de superficie que impacta [Ye12]. Esta tecnología es muy precisa en la medida de señales reflejadas, pues es utilizada en medidas de rugosidad de superficies y detección de grietas.

Muchas de estas tecnologías, aplicadas por investigadores para evaluar su utilidad en la identificación del estado de la calzada, logran resultados que no siempre son los esperados, pero que allanan el camino para consolidar un sensor viable para esta tarea. Una de estas tecnologías es la termometría infrarroja (IR), la cual consiste en la medida sin contacto de la temperatura de una superficie utilizando sensores en el rango IR donde los materiales presentan diferentes características de emisividad. Inicialmente esta tecnología se presenta como alternativa a sensores incrustados en la vía para conocer tanto la temperatura como el estado de la misma [Jon12]. En este estudio se utilizan un conjunto de sensores, dentro de los cuales se destacan una cámara y un termómetro ambos en el rango del IR para registrar la temperatura de una superficie. Dentro de los resultados obtenidos se presenta la variación en la temperatura a lo largo de la superficie de la vía (que puede diferir de acuerdo a su estado, por ejemplo derretimiento o congelación) y también es destacable la posibilidad de registrar antes que un sensor incrustado el derretimiento de nieve o hielo en la vía alertando con mayor rapidez de la presencia de una situación de riesgo. Estos sensores pueden servir como complemento a otros para la identificación del estado de la carretera, ya que la información obtenida únicamente de los sensores de temperatura no sería suficiente para lograr un resultado preciso. En este sentido los autores proponen utilizar información de estaciones de medida de la carretera para ayudar a obtener un mejor diagnóstico del estado, aunque esto involucraría el uso de sistemas estacionarios [Rie12].

3.3. Sistemas de Visión Artificial

Otra alternativa al reconocimiento del estado en la vía son los sistemas de visión artificial utilizando para ello cámaras de vídeo [Rey12]. Estas pueden ser cámaras utilizadas para la vigilancia de las vías donde se ha propuesto un método para distinguir los estados mojado y nieve con base en las imágenes aportadas por dichas cámaras tanto en el día como en la noche [Tak12]. Para ello, los autores realizan un análisis de textura de la imagen captada, la cual dividen en bloques y procesan utilizando datos de un entrenamiento previo. Sin embargo, en este estudio la influencia tanto de la luz ambiente como de las líneas de pintura blanca sobre las vías impide un buen desempeño del algoritmo creado. Lo anterior sumado a la restricción del uso del sistema solamente en lugares que dispongan de cámaras de vigilancia, limita notablemente su aplicación.

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El objetivo es que las cámaras puedan ir embarcadas en un vehículo y las imágenes captadas periódicamente puedan servir para discriminar el estado de la vía en tiempo real. Un ejemplo de ello es la clasificación de la calzada utilizando imágenes procedentes de cámaras de monitoreo GPS de baja resolución y costo ubicadas al interior de los vehículos y capaces de visualizar la panorámica que aprecia el conductor del mismo. Con base en esta imagen se realiza una extracción de características para una posterior clasificación utilizando varios esquemas [Ome10]. En este caso también la iluminación ambiente juega un papel crucial en la clasificación de la imagen obtenida, a la vez que la calidad de los datos obtenidos de las imágenes podría comprometer el resultado de la clasificación al tratarse de cámaras de baja resolución.

Otro método utilizado para la medida del estado de la carretera consta de dos cámaras estereoscópicas ubicadas al interior de un vehículo que permite visualizar la parte panorámica de vista del conductor y, de acuerdo al cambio en la polarización de la luz reflejada en la superficie de medida, realiza un análisis de granularidad usando la medida de contraste entre la imagen original y la imagen a través de un filtro paso-bajo [Jok09]. Los resultados en este caso varían mucho en relación a la superficie que se esté midiendo aparte de la influencia que presenta cuando las condiciones de iluminación ambiente no son adecuadas para la medida. Su comportamiento queda muy por debajo de dispositivos comerciales con el cual es comparado.

Otro estudio sitúa como núcleo de su sistema el uso de una cámara de última generación capaz de realizar mediciones desde el rango visible hasta el infrarrojo cercano (NIR) con gran resolución. Esta cámara hace parte del sistema de recepción de imágenes que consta además de una lente de alta transmisión y de un sistema de filtrado espectral con 12 filtros ubicados en una rueda mecánica ubicada entre lente y cámara [Ber13]. Su comportamiento en medidas de laboratorio fue aceptable ya que se usaba una potente iluminación halógena sobre el asfalto de medida. Sin embargo, en pruebas exteriores, la influencia de la luz ambiental sobre las longitudes de onda utilizadas hace que se presenten comportamientos indeseados en las medidas recurriendo a caracterizar diferencias en medidas a pleno sol y con nubes, algo que reduce su rango de aplicación cuando las condiciones ambientales de la carretera sean variables, situación muy posible durante el invierno.

3.4. Sensores ópticos comerciales embarcados del estado de la calzada. Evaluación del Estado actual del mercado.

En cuanto a dispositivos comerciales de medida del estado de la carretera vale la pena señalar los productos evaluados de dos compañías finlandesas que ofrecen sistemas embarcados en vehículos con múltiples funcionalidades a la hora de registrar el estado de la carretera. Ambos equipos, además de clasificar distintos estados de la calzada ofrecen una estimación del espesor de la capa de agua o nieve sobre la superficie y

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proporcionan una estimación del coeficiente de fricción [Ewa13] [Haa12]. Los estudios realizados demuestran que la identificación lograda en superficies tanto de asfalto como de cemento y los valores de fricción obtenidos comparados con otros sensores muestra el buen comportamiento del sistema, aunque en las medidas de grosores de hielo, nieve y agua presente ciertas incongruencias. Estos equipos son muy útiles como herramienta de ayuda a la toma de decisiones. Como inconvenientes se puede citar su elevado precio, su difícil integración con otros sensores y que no proporcionan ningún dato sobre la cantidad residual de sal presente en la superficie del pavimento, información crucial a la hora de definir los tratamientos preventivos.

La variedad de tecnologías ópticas aplicadas a la detección del estado de la calzada, junto con el avance que muchos dispositivos optoelectrónicos han experimentado en los últimos años y que han permitido entre otras cosas disminuir su tamaño y su costo, hacen de estas las mejores alternativas para la detección remota del estado de la calzada. Bien es cierto que cada sistema requiere de un cuidadoso diseño mecánico y de una adaptación al entorno de medida que permita obtener resultados confiables. Sin embargo, la posibilidad de tener sensores de pequeño tamaño, adaptables a vehículos convencionales sin mayores cambios y con la posibilidad de tener resultados inmediatos son cualidades muy valoradas en sistemas de instrumentación embarcados.

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4.1. Fundamentos de la técnica de medida

El estado de la calzada depende de la presencia de distintas sustancias (agua, hielo, sal) sobre su superficie. Es por tanto que la espectroscopia óptica se plantea como una de las mejores alternativas para el desarrollo de este tipo de sensores.

La espectroscopia consiste en el estudio de las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia en términos de absorción o emisión de energía. En nuestro estudio nos limitamos a la espectroscopia óptica, que cubre el espectro de radiación de la luz (desde el ultravioleta hasta el infrarrojo próximo). En líneas generales, cuando un haz de luz que se propaga por el aire incide sobre un medio (por ejemplo incide sobre la superficie de una calzada cubierta de nieve o de agua o con una ligera capa de sal) pueden ocurrir varios fenómenos que se resumen en la Figura 3:

• Parte de la radiación luminosa se va a reflejar de manera especular y parte se va a transmitir. La cantidad de luz reflejada (o transmitida) depende del índice de refracción del medio (n). El parámetro n no es constante si no que puede variar con la longitud de onda y, en algunas sustancias (denominadas birrefringentes) es distinto para cada dirección de polarización. Un ejemplo de sustancia birrefringente es el hielo.

• Parte de la radiación transmitida se va a absorber en el medio. La propiedad del material que cuantifica la atenuación de intensidad de un haz que se propaga en el medio es el coeficiente de absorción y es una propiedad que puede variar en función de la longitud de onda. En la Figura 4 se representa como varían los coeficientes de absorción del agua y del hielo en un rango de longitudes de onda en el infrarrojo próximo.

• También parte de la radiación transmitida se va dispersar debido a la presencia de partículas en el medio (va a cambiar su dirección de propagación) y eventualmente va a volver a salir a la superficie con una dirección de propagación arbitraria (reflexión difusa). Este es el efecto óptico que motiva por ejemplo que la nieve sea blanca a pesar de estar formada por cristales de hielo que son transparentes: estos cristales no absorben ningún color pero dispersan todas las longitudes de onda (colores) en todas las direcciones y por tanto un observador lo que ve es luz blanca. Las propiedades ópticas del material que modifican la radiación difusa son los coeficientes de absorción y dispersión y son también variables con la longitud de onda de la radiación incidente.

4. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Fundamentos de la

Técnica de Medida e implementación

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• También, parte de la radiación que se absorbe a determinadas longitudes de onda, puede provocar fotoluminiscencia. Es decir, parte de la radiación absorbida se reemite a una longitud de onda mayor. Esta propiedad ha sido observada en cristales de sal.

4.2. Implementación de sensores de estado de calzada basados en espectroscopia óptica

Para poder realizar el análisis de una superficie por medio de la espectroscopia óptica se requieren los siguientes elementos en el sistema sensor:

• Una o varias fuentes de luz.

• Un elemento que realice la descomposición espectral. Este elemento es clave en el

4. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Fundamentos de la Técnica de Medida e implementación

4.1. Fundamentos de la técnica de medida El estado de la calzada depende de la presencia de distintas sustancias (agua, hielo, sal) sobre su superficie. Es por tanto que la espectroscopia óptica se plantea como una de las mejores alternativas para el desarrollo de este tipo de sensores.

La espectroscopia consiste en el estudio de las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia en términos de absorción o emisión de energía. En nuestro estudio nos limitamos a la espectroscopia óptica, que cubre el espectro de radiación de la luz (desde el ultravioleta hasta el infrarrojo próximo). En líneas generales, cuando un haz de luz que se propaga por el aire incide sobre un medio (por ejemplo incide sobre la superficie de una calzada cubierta de nieve o de agua o con una ligera capa de sal) pueden ocurrir varios fenómenos que se resumen en la siguiente ilustración:

Ilustración 3. Reflexiones especular y difusa en la superficie de un material

Parte de la radiación luminosa se va a reflejar de manera especular y parte se va a transmitir. La cantidad de luz reflejada (o transmitida) depende del índice de refracción del medio (n). El parámetro n no es constante si no que puede variar con la longitud de onda y, en algunas sustancias (denominadas birrefringentes) es distinto para cada dirección de polarización. Un ejemplo de sustancia birrefringente es el hielo.

Parte de la radiación transmitida se va a absorber en el medio. La propiedad del material que cuantifica la atenuación de intensidad de un haz que se propaga en el medio es el coeficiente de absorción y es una propiedad que puede variar en función de la longitud de onda. En la ilustración se representa como varían los coeficientes de absorción del agua y del hielo en un rango de longitudes de onda en el infrarrojo próximo.

También parte de la radiación transmitida se va dispersar debido a la presencia de partículas en el medio (va a cambiar su dirección de propagación) y eventualmente va a volver a salir a la superficie con una dirección de propagación arbitraria (reflexión difusa). Este es el efecto óptico que motiva por ejemplo que la nieve sea blanca a pesar de estar formada por cristales de hielo que son transparentes: estos cristales no absorben ningún

Haz incidente Reflexión especular

Aire Material

Reflexión difusa (absorción y dispersión)

Figura 3. Reflexiones especular y difusa en la superficie de un material.

color pero dispersan todas las longitudes de onda (colores) en todas las direcciones y por tanto un observador lo que ve es luz blanca. Las propiedades ópticas del material que modifican la radiación difusa son los coeficientes de absorción y dispersión y son también variables con la longitud de onda de la radiación incidente.

También, parte de la radiación que se absorbe a determinadas longitudes de onda, puede provocar fotoluminiscencia. Es decir, parte de la radiación absorbida se reemite a una longitud de onda mayor. Esta propiedad ha sido observada en cristales de sal.

Ilustración 4. Absorción del agua y del hielo en el infrarrojo cercano (fuente [Kou93])

4.2. Implementación de sensores de estado de calzada basados en espectroscopia óptica

Para poder realizar el análisis de una superficie por medio de la espectroscopia óptica se requieren los siguientes elementos en el sistema sensor:

Una o varias fuentes de luz. Un elemento que realice la descomposición espectral. Este elemento es clave en el diseño

del sensor puesto que la información relevante sobre la presencia de sustancias en la superficie del pavimento se encuentra en como varía la distribución del espectro de luz que se refleja sobre la calzada con respecto al espectro en emisión.

Uno o varios fotodetectores.

Como se ha comentado el aspecto clave en el diseño de sensores remotos del estado de la calzada es como se realiza la descomposición espectral. Para ello existen varias alternativas que vienen en parte determinadas por el tipo de fuente de luz que se utiliza. Como fuente de luz se han empleado en distintos prototipos las siguientes alternativas:

Para abarcar un amplio rango del espectro electromagnético en emisión, resulta lógico utilizar una fuente de ancho espectro que ilumine el material de interés. Un ejemplo de este tipo de fuentes son lámparas halógenas. Esta alternativa se ha utilizado en varios estudios y prototipos de sensores y tiene como principal ventaja la alta disponibilidad de

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

1,35 1,45 1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 2,15

K

Longitud de onda (um)

Hielo

Agua

Figura 4. Absorción del agua y del hielo en el infrarrojo cercano (fuente [Kou93])

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diseño del sensor puesto que la información relevante sobre la presencia de sustancias en la superficie del pavimento se encuentra en como varía la distribución del espectro de luz que se refleja sobre la calzada con respecto al espectro en emisión.

• Uno o varios fotodetectores.

Como se ha comentado el aspecto clave en el diseño de sensores remotos del estado de la calzada es como se realiza la descomposición espectral. Para ello existen varias alternativas que vienen en parte determinadas por el tipo de fuente de luz que se utiliza. Como fuente de luz se han empleado en distintos prototipos las siguientes alternativas:

• Para abarcar un amplio rango del espectro electromagnético en emisión, resulta lógico utilizar una fuente de ancho espectro que ilumine el material de interés. Un ejemplo de este tipo de fuentes son lámparas halógenas. Esta alternativa se ha utilizado en varios estudios y prototipos de sensores y tiene como principal ventaja la alta disponibilidad de este tipo de fuentes y que se dispone de información en una gran franja del espectro [Jon11] [Nak12] [Cas07].

• Puesto que no todo el espectro contiene información relevante para distinguir diferentes estados de la calzada, una interesante alternativa para la emisión es la utilización de fuentes de luz monocromáticas. Entre las fuentes de luz monocromáticas hay que destacar los LEDs y los láseres de semiconductor debido a la fácil integración de estos dispositivos en sistemas electrónicos. Su ancho espectral es del orden de 40 nm en el caso de los LEDs y tan estrecho como 0.01 nm en el caso de los diodos láser. Las ventajas principales de este tipo de fuentes ópticas es su disponibilidad y su bajo precio en un rango (cada vez más amplio) de longitudes de onda, abarcando desde el ultravioleta (alrededor de 400 nm e incluso por debajo de este valor) hasta el infrarrojo, por debajo de 2000 nm tradicionalmente, pero ya se encuentran disponibles comercialmente láseres de semiconductor de llegan hasta 14 µm.

En el caso de un sistema de espectroscopia embarcado (y móvil) es necesario iluminar la misma área de la calzada con todas las longitudes de onda de interés y realizar la selección de la longitud de onda a analizar en el sistema de detección de la radiación reflejada por la superficie de la calzada. Para realizar la descomposición espectral en recepción existen varias alternativas:

Una alternativa es la utilización de un monocromador. Este es un dispositivo óptico complejo capaz de separar las componentes espectrales de la radiación y seleccionar un rango estrecho que pueda considerarse monocromático. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de sistema monocromador compuesto por varios espejos para redirigir y enfocar los haces de luz, una red de difracción para abrir el espectro y una rendija para seleccionar una banda estrecha de longitudes de onda. Esta solución contempla elementos móviles

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en el sistema óptico para poder realizar el barrido de varias longitudes de onda. Existen también en el mercado espectrómetros compactos sin partes móviles basados en el uso de arrays de detectores y que han sido utilizados para realizar estudios de la variación del espectro en función del estado de la calzada [Cas07]. Otra estrategia consiste en la utilización de filtros o detectores a determinadas longitudes de onda [Jon11].

En el caso de que se utilicen fuentes de luz monocromáticas, ya no es necesaria la descomposición espectral en recepción. Esta solución aumenta la eficiencia del sensor en términos de energía puesto que sólo se emite luz sobre la superficie de la calzada a longitudes de onda determinadas relevantes para identificar el tipo de sustancia presente. En este caso la solución en recepción para separar las longitudes de onda puede ser el uso de varios detectores (uno para cada emisor) o el uso de un único fotodetector y detección síncrona.

Ilustración 5: Elementos de sistema óptico monocromador

En el caso de que se utilicen fuentes de luz monocromáticas, ya no es necesaria la descomposición espectral en recepción. Esta solución aumenta la eficiencia del sensor en términos de energía puesto que sólo se emite luz sobre la superficie de la calzada a longitudes de onda determinadas relevantes para identificar el tipo de sustancia presente. En este caso la solución en recepción para separar las longitudes de onda puede ser el uso de varios detectores (uno para cada emisor) o el uso de un único fotodetector y detección síncrona.

5. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Resultados experimentales de análisis del estado de la calzada

En base a los fenómenos de interacción luz-materia descritos en el apartado anterior y a los elementos necesarios para la implementación de sensores ópticos, en este cuaderno se describen los experimentos que se han llevado a cabo en el Grupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser de la Universidad Carlos III de Madrid. El objetivo principal de estos experimentos ha sido explorar la aplicación de fuentes de luz basadas en semiconductores para la medida remota del estado de la calzada como consecuencia de fenómenos meteorológicos y de las actividades de vialidad invernal. La información relevante es por tanto si la calzada está seca o no y si sobre la misma hay una capa de agua, hielo o nieve, la temperatura del asfalto y la temperatura de congelación. La medida del punto de congelación es una medida indirecta de la cantidad residual del producto anticongelante remanente de tratamientos previos, por lo tanto en esta investigación lo que se considera es la medida directa de la presencia de sal, ya que es la sustancia anticongelante que se utiliza con mayor frecuencia. Los estudios consisten en:

Distinción de agua y hielo basada en birrefringencia. Distinción de agua y hielo basado en coeficientes de absorción diferentes. Detección de sal residual en la superficie de la calzada basada en fluorescencia.

Figura 5: Elementos de sistema óptico monocromador.

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En base a los fenómenos de interacción luz-materia descritos en el apartado anterior y a los elementos necesarios para la implementación de sensores ópticos, en este cuaderno se describen los experimentos que se han llevado a cabo en el Grupo de Optoelectrónica y Tecnología Láser de la Universidad Carlos III de Madrid. El objetivo principal de estos experimentos ha sido explorar la aplicación de fuentes de luz basadas en semiconductores para la medida remota del estado de la calzada como consecuencia de fenómenos meteorológicos y de las actividades de vialidad invernal. La información relevante es por tanto si la calzada está seca o no y si sobre la misma hay una capa de agua, hielo o nieve, la temperatura del asfalto y la temperatura de congelación. La medida del punto de congelación es una medida indirecta de la cantidad residual del producto anticongelante remanente de tratamientos previos, por lo tanto en esta investigación lo que se considera es la medida directa de la presencia de sal, ya que es la sustancia anticongelante que se utiliza con mayor frecuencia. Los estudios consisten en:

• Distinción de agua y hielo basada en birrefringencia.

• Distinción de agua y hielo basado en coeficientes de absorción diferentes.

• Detección de sal residual en la superficie de la calzada basada en fluorescencia.

Además de estos fenómenos es posible determinar la composición de cualquier sustancia utilizando otras técnicas de espectroscopia como la Raman o la inducción de plasma (LIBS). En ambas técnicas es necesario el uso de fuentes láser y, en el caso de inducción de plasma, de alta potencia. Además son técnicas de muy alta resolución tanto en el espectro (es necesario distinguir líneas espectrales muy juntas) como en amplitud (los niveles de potencia óptica que es necesario detectar son muy pequeños). Aunque se han propuesto para analizar el estado de la calzada [Kau12] en nuestras investigaciones se han descartado a priori para sistemas en un entorno embarcado, sometido a movimientos y vibraciones mecánicas, así como en entornos abiertos.

En nuestro estudio la técnica que se propone para la medida remota de agua, hielo y otras sustancias sobre la superficie del pavimento se basa en técnicas de espectroscopia por reflexión difusa que combinan el uso de fuentes de luz de semiconductor con técnicas de detección síncrona. Motivado por el hecho de que los sistemas móviles de monitorización de carreteras y parámetros ambientales imponen restricciones técnicas importantes

5. Espectroscopia óptica para la identificación del estado de la calzada: Resultados experimentales

de análisis del estado de la calzada

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que dificultan su implementación (resistencia a la corrosión, resistencia a vibraciones mecánicas e impactos y capacidad para medir a velocidades normales de circulación…), lo que proponemos es descartar el uso de sistemas ópticos complejos y utilizar en su lugar sistemas basados en fuentes de luz de semiconductor, de esta manera se puede evitar la necesidad de sistemas opto-mecánicos (para los que puede ser complicado mantener el alineamiento en las condiciones mencionadas).

Las fuentes de luz de semiconductor presentan dos ventajas fundamentales a la hora de diseñar sensores ópticos remotos. La primera es que emiten luz monocromática, así que se puede elegir varios emisores cuyo espectro de emisión esté centrado en una longitud de onda específica de interés para determinar el estado de la calzada. La segunda ventaja es que la intensidad de luz emitida se puede modular directamente utilizando circuitos electrónicos y por tanto permiten incorporar técnicas de detección de alta sensibilidad, como la detección síncrona, para evitar la influencia de la luz ambiente e incrementar la resolución.

En la Ilustración 6 se presenta un esquema simplificado del sistema experimental diseñado para identificar el estado de la calzada en un sistema móvil. Consiste en una o varias fuentes de luz de semiconductor que iluminan la superficie del pavimento a una distancia constante. Se utiliza una lente para acotar el área iluminada. Como se verá, en la mayoría de los experimentos las longitudes de onda de iluminación se encuentran en el infrarrojo próximo. Se utiliza un generador de señal para generar una señal sinusoidal que modula la intensidad de luz de salida empleando un índice de modulación (relación entre las amplitudes máximas y mínimas) cercano al 100% y una frecuencia en el rango de decenas de KHz. En esta figura también se puede apreciar un único fotodiodo (independientemente del número de longitudes de onda de iluminación se usa un único detector) que mide la reflexión difusa de la superficie de test y tras una adecuada amplificación, un demodulador síncrono con la misma referencia que la señal de modulación, permite medir únicamente la amplitud de la señal reflejada a la longitud de onda de emisión. Se han usado para implementar esta técnica de detección tanto amplificadores lock-in comerciales (Stanford Research Systems SR830) como diseños propios realizados en nuestros laboratorios. La superficie de test típica empleada ha sido un pedazo de asfalto seco o al que se le ha aplicado agua, hielo o sal dependiendo del experimento.

En la Ilustración 7 se muestra una fotografía de uno de los experimentos. En ella se aprecia la superficie de test cubierta de agua y dentro de una cámara climática. Esta cámara permite modificar las condiciones ambientales (temperatura y humedad relativa) por lo que se llega a formar hielo cuando se mantiene la temperatura por debajo de 0ºC. El fotodiodo también está dentro de la cámara y el haz de iluminación se introduce a través de una fibra óptica, de manera que los diodos láser y el resto de componentes electrónicos están fuera de la cámara. En la fotografía se pueden apreciar las monturas en tubo que alojan la óptica asociada a la emisión y a la detección.

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de test típica empleada ha sido un pedazo de asfalto seco o al que se le ha aplicado agua, hielo o sal dependiendo del experimento.

En la Ilustración 7 se muestra una fotografía de uno de los experimentos. En ella se aprecia la superficie de test cubierta de agua y dentro de una cámara climática. Esta cámara permite modificar las condiciones ambientales (temperatura y humedad relativa) por lo que se llega a formar hielo cuando se mantiene la temperatura por debajo de 0ºC. El fotodiodo también está dentro de la cámara y el haz de iluminación se introduce a través de una fibra óptica, de manera que los diodos láser y el resto de componentes electrónicos están fuera de la cámara. En la fotografía se pueden apreciar las monturas en tubo que alojan la óptica asociada a la emisión y a la detección.

Ilustración 6. Esquema óptico de referencia para sensores del estado de la calzada

Generador de señal

Detección síncrona

Driver

Amp. PC

Superficie de test

Fotodetector

LED / diodo laser

Ilustración 7. Fotografía de uno de los experimentos en cámara climática

5.1. Distinción de agua y hielo basada en birrefringencia La birrefringencia es una propiedad óptica de algunos materiales que consiste en que el índice de refracción (n) depende de la dirección de propagación de la luz y de su estado de polarización (orientación del plano de oscilación de las ondas ópticas). Como la cantidad de luz que se refleja depende del índice de refracción, en un material birrefringente la cantidad de luz reflejada dependerá de la orientación de la polarización a la que se realiza la observación. Para nuestra aplicación que consiste en determinar el estado de la calzada podemos utilizar esta propiedad óptica para distinguir la presencia de agua o hielo, ya que el agua en estado líquido no es birrefringente pero el hielo sí lo es [Col13].

En este experimento se ha utilizado como emisor un diodo láser modelo DL-5032 de Sanyo, el cual emite a 830 nm (infrarrojo) y el cual se mantiene con una polarización predominante con la ayuda de un polarizador. Con respecto al montaje descrito en la sección anterior se incorpora al sistema un fotodiodo adicional modelo BPW34 tal y como se muestra en el esquema de la Ilustración 8. En frente de cada uno de los dos detectores se coloca un polarizador; el eje de polarización entre estos polarizadores es perpendicular y a su vez ambos forman un ángulo de 45º con el polarizador del emisor. Los resultados de este experimento se muestran en la Ilustración 9. La traza superior de esta figura representa la evolución de la temperatura en el interior de la cámara climática, en

Fotodetector

Sensor de temperatura

Emisor

Figura 6. Esquema óptico de referencia para sensores del estado de la calzada.

Figura 7. Fotografía de uno de los experimentos en cámara climática.

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5.1. Distinción de agua y hielo basada en birrefringencia

La birrefringencia es una propiedad óptica de algunos materiales que consiste en que el índice de refracción (n) depende de la dirección de propagación de la luz y de su estado de polarización (orientación del plano de oscilación de las ondas ópticas). Como la cantidad de luz que se refleja depende del índice de refracción, en un material birrefringente la cantidad de luz reflejada dependerá de la orientación de la polarización a la que se realiza la observación. Para nuestra aplicación que consiste en determinar el estado de la calzada podemos utilizar esta propiedad óptica para distinguir la presencia de agua o hielo, ya que el agua en estado líquido no es birrefringente pero el hielo sí lo es [Col13].

En este experimento se ha utilizado como emisor un diodo láser modelo DL-5032 de Sanyo, el cual emite a 830 nm (infrarrojo) y el cual se mantiene con una polarización predominante con la ayuda de un polarizador. Con respecto al montaje descrito en la sección anterior se incorpora al sistema un fotodiodo adicional modelo BPW34 tal y como se muestra en el esquema de la Figura 8. En frente de cada uno de los dos detectores se coloca un polarizador; el eje de polarización entre estos polarizadores es perpendicular y a su vez ambos forman un ángulo de 45º con el polarizador del emisor. Los resultados de este experimento se muestran en la Figura 9. La traza superior de esta figura representa la evolución de la temperatura en el interior de la cámara climática, en ella se pueden observar dos ciclos de calentamiento/enfriamiento con una duración superior a una hora cada uno, de forma que hay tiempo suficiente para que se congele la película de agua presente en la superficie de test. La traza inferior muestra el cociente entre la intensidad de luz medida con cada detector (relación entre intensidades con polarización cruzada). Las zonas sombreadas muestran los intervalos de tiempo para los que hay o bien solamente agua en estado líquido o bien solamente agua congelada (hielo). En estas zonas se observa que este cociente es diferente para el agua que para el hielo por lo que se puede concluir que es posible utilizar el fenómeno de la birrefringencia para distinguir la presencia de agua o hielo sobre la superficie de un pavimento utilizando un sensor óptico basado en fuentes de luz de semiconductor (LED o diodo láser). En la Figura 9 también se aprecian algunos efectos no deseados que se deben a la condensación de agua en la superficie de los componentes ópticos.

5.2. Distinción de estados de la calzada basados en coeficientes de absorción diferentes

En esta sección se explora las propiedades de dependencia con la longitud de onda del índice de refracción complejo en el infrarrojo próximo para la implementación de sensores remotos del estado de la calzada y, para ello, se emplea el mismo esquema descrito mediante la Figura 6. La presencia de agua en la superficie de la calzada, en función del espesor de la capa de agua, varía la amplitud de la reflexión difusa, por lo que es posible

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ella se pueden observar dos ciclos de calentamiento/enfriamiento con una duración superior a una hora cada uno, de forma que hay tiempo suficiente para que se congele la película de agua presente en la superficie de test. La traza inferior muestra el cociente entre la intensidad de luz medida con cada detector (relación entre intensidades con polarización cruzada). Las zonas sombreadas muestran los intervalos de tiempo para los que hay o bien solamente agua en estado líquido o bien solamente agua congelada (hielo). En estas zonas se observa que este cociente es diferente para el agua que para el hielo por lo que se puede concluir que es posible utilizar el fenómeno de la birrefringencia para distinguir la presencia de agua o hielo sobre la superficie de un pavimento utilizando un sensor óptico basado en fuentes de luz de semiconductor (LED o diodo láser). En la Ilustración 9 también se aprecian algunos efectos no deseados que se deben a la condensación de agua en la superficie de los componentes ópticos.

Ilustración 8. Montaje experimental para medidas de birrefringencia del hielo

Figura 8. Montaje experimental para medidas de birrefringencia del hielo.

Ilustración 9. Resultados de la identificación agua/hielo basado en medidas de birrefringencia. El estado sólido o líquido se puede distinguir claramente

5.2. Distinción de estados de la calzada basados en coeficientes de absorción diferentes

En esta sección se explora las propiedades de dependencia con la longitud de onda del índice de refracción complejo en el infrarrojo próximo para la implementación de sensores remotos del estado de la calzada y, para ello, se emplea el mismo esquema descrito mediante la ilustración 6. La presencia de agua en la superficie de la calzada, en función del espesor de la capa de agua, varía la amplitud de la reflexión difusa, por lo que es posible identificar el estado de la calzada (seca o mojada) simplemente iluminando un área de la misma y analizado el espectro de la luz reflejada. Además la dependencia de las propiedades ópticas del agua es diferente dependiendo de su estado, líquido o sólido (hielo), por lo que la caracterización espectral tiene mucha información del estado de la calzada.

La selección de las longitudes de onda de iluminación es una de las especificaciones de diseño más importantes para estos tipos de sensores. Para poder elegirlas de manera conveniente para nuestra aplicación nos hemos basado en estudios previos de las propiedades ópticas del agua y del hielo, las cuales han sido estudiadas en profundidad desde hace tiempo [Kou93]: En el infrarrojo próximo, la parte real del índice de refracción (n) es aproximadamente constante con la longitud de onda, mientras que la parte imaginaria (K), la cual está relacionada con el coeficiente de absorción, presenta máximos a longitudes de onda determinadas. Estos máximos están

Figura 9. Resultados de la identificación agua/hielo basado en medidas de birrefringencia. El estado sólido o líquido se puede distinguir claramente.

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identificar el estado de la calzada (seca o mojada) simplemente iluminando un área de la misma y analizado el espectro de la luz reflejada. Además la dependencia de las propiedades ópticas del agua es diferente dependiendo de su estado, líquido o sólido (hielo), por lo que la caracterización espectral tiene mucha información del estado de la calzada.

La selección de las longitudes de onda de iluminación es una de las especificaciones de diseño más importantes para estos tipos de sensores. Para poder elegirlas de manera conveniente para nuestra aplicación nos hemos basado en estudios previos de las propiedades ópticas del agua y del hielo, las cuales han sido estudiadas en profundidad desde hace tiempo [Kou93]: En el infrarrojo próximo, la parte real del índice de refracción (n) es aproximadamente constante con la longitud de onda, mientras que la parte imaginaria (K), la cual está relacionada con el coeficiente de absorción, presenta máximos a longitudes de onda determinadas. Estos máximos están ligeramente desplazados en la longitud de onda para el agua y para el hielo. Además uno de estos picos está próximo a 1550 nm (ver Figura 4), longitud de onda a la que hay gran disponibilidad a bajo coste de emisores, detectores y componentes ópticos ya que se corresponde con una de las ventanas de comunicaciones ópticas. A 1310 nm (otra de las ventanas de comunicaciones ópticas), la parte imaginaria del índice de refracción tiene un valor mínimo tanto para el agua como para el hielo. Por tanto, con el fin de explorar este principio de medida, se utilizaron como fuente de luz tres diodos láser estándar de tipo DFB acoplados a 1310 nm, 1470 nm y 1550 nm. Para combinar las tres longitudes de onda sobre una única área iluminada se utilizó un acoplador de fibra también estándar 1310/1550 nm.

El sistema se calibró utilizando una cámara climática. En la Figura 10 se muestra un ejemplo de las señales de salida del sensor tras el amplificador síncrono. La traza azul (en la posición más inferior) es proporcional a la luz detectada a 1550 nm, la traza verde (superior) es proporcional al cociente entre la luz detectada a 1310 nm y 1550 nm, y la traza roja (en el medio) es proporcional al cociente entre la luz detectada a 1310 nm y 1470 nm. Lo que se observa en estas medidas es que aunque la potencia óptica medida a una longitud de onda concreta (ej: 1550 nm) no sea constante, los cocientes sí que lo son para una sustancia específica (agua o hielo). La distancia entre estos cocientes depende de la sustancia presente sobre la superficie del pavimento y por tanto se concluye que se puede identificar el estado de la calzada con la información que proporcionan estas señales.

5.3.Detección de sal residual en la superficie de la calzada basada en fluorescencia

Otro de los parámetros que determina el estado de la calzada durante la campaña de invierno es la presencia de sal residual procedente de actividades preventivas de formación de hielo previas. La monitorización de la sal residual es útil para evitar su distribución en exceso y por tanto sus consecuencias económicas y medioambientales.

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En este sentido, en un primer momento tratamos de extender la técnica de medida utilizada en el apartado anterior para detectar sal residual. A pesar de que es conocido que el índice de refracción de una solución salina es proporcional a su concentración no se obtuvieron resultados concluyentes del experimento. Además este principio de medida no sería útil a priori en medidas sobre asfalto seco ya que las propiedades ópticas de la sal son prácticamente constantes con la longitud de onda e independientes de la polarización.

La fluorescencia es un fenómeno óptico por el cual un material absorbe luz en una longitud de onda determinada y la emite a otra longitud de onda más larga. Los cristales de sal (NaCl) presentan fluorescencia debido a impurezas e imperfecciones de la red cristalina y por tanto en este trabajo se propone explotar esta característica de la sal [Rui14], aunque también es posible, tal y como se ha propuesto anteriormente [Ham07], utilizar la fluorescencia de algunos aditivos que se añaden a la sal de carreteras.

Para evaluar las posibilidades del diseño de un sensor basado en la fluorescencia natural de la sal se ha comenzado estudiando las características de luminiscencia de distintas muestras de sal: se han estudiado los espectros de absorción y de emisión de muestras de sal de mesa, muestras de sal marina utilizada en la preparación de salmueras y sal de mina utilizada en tratamientos preventivos y curativos. Las distintas muestras de sal se han caracterizado utilizando un fluorímetro (modelo F900 de Edinburgh) con un rango tanto en excitación como de emisión de 200 nm a 900 nm y equipado con una sonda de fibra

ligeramente desplazados en la longitud de onda para el agua y para el hielo. Además uno de estos picos está próximo a 1550 nm (ver ilustración 4), longitud de onda a la que hay gran disponibilidad a bajo coste de emisores, detectores y componentes ópticos ya que se corresponde con una de las ventanas de comunicaciones ópticas. A 1310 nm (otra de las ventanas de comunicaciones ópticas), la parte imaginaria del índice de refracción tiene un valor mínimo tanto para el agua como para el hielo. Por tanto, con el fin de explorar este principio de medida, se utilizaron como fuente de luz tres diodos láser estándar de tipo DFB acoplados a 1310 nm, 1470 nm y 1550 nm. Para combinar las tres longitudes de onda sobre una única área iluminada se utilizó un acoplador de fibra también estándar 1310/1550 nm.

El sistema se calibró utilizando una cámara climática. En la Ilustración 10 se muestra un ejemplo de las señales de salida del sensor tras el amplificador síncrono. La traza azul (en la posición más inferior) es proporcional a la luz detectada a 1550 nm, la traza verde (superior) es proporcional al cociente entre la luz detectada a 1310 nm y 1550 nm, y la traza roja (en el medio) es proporcional al cociente entre la luz detectada a 1310 nm y 1470 nm. Lo que se observa en estas medidas es que aunque la potencia óptica medida a una longitud de onda concreta (ej: 1550 nm) no sea constante, los cocientes sí que lo son para una sustancia específica (agua o hielo). La distancia entre estos cocientes depende de la sustancia presente sobre la superficie del pavimento y por tanto se concluye que se puede identificar el estado de la calzada con la información que proporcionan estas señales.

Ilustración 10. Señales de salida del experimento basado en medida de las diferencias de absorción

Tiempo [min]

Calibración del sistema

Hielo Hielo y agua

Agua

Pote

ncia

ópt

ica

[au]

Relación de potencias Potencia

reflejada a 1550nm

Ratio 1310/1550

Ratio 1310/1470

Figura 10. Señales de salida del experimento basado en medida de las diferencias de absorción.

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para medidas de fluorescencia en reflexión. La sonda de fibra se colocó a una distancia de 4 mm de la superficie de la muestra de sal y se tomaron mapas de excitación-emisión en todo el rango del instrumento para los tres tipos de sal. Estos mapas representan en un diagrama en tres dimensiones la intensidad de luz recibida en una longitud de onda de emisión concreta λem cuando se ilumina la muestra a una longitud de onda de excitación concreta λexc. Todos los mapas mostraron máximos de intensidad de luz de emisión a las longitudes de onda λem = 310 nm y λem = 610 nm, en ambos casos cuando la longitud de onda de excitación era en torno a λexc = 270 nm. En la Figura 11 se muestran los resultados más relevantes en un diagrama bidimensional que representa el espectro de emisión de las distintas muestras de sal cuando se iluminan a una longitud de onda de excitación λexc = 273 nm. Pueden apreciarse claramente los dos picos de emisión a 310 nm y a 610 nm, por lo que se concluye que la fluorescencia en la región visible del espectro asociada al color rojo (610 nm) se podría utilizar como indicador de la cantidad de sal residual en la superficie de una calzada.

En este experimento también se ha utilizado el montaje experimental representado en la Ilustración 6 modificando los componentes ópticos para testar esta técnica de medida de fluorescencia para la implementación de sensores de salinidad residual en carreteras. En estas pruebas se ha utilizado como dispositivo emisor un LED ultravioleta (UVTOP275) cuyo espectro de emisión está centrado en 275 nm y también se ha colocado un filtro rojo delante del fotodetector de manera que sólo se mide la luz emitida en el entorno de 610 nm. Para este sistema se ha desarrollado una técnica de detección específica que tiene en cuenta el tiempo de vida de fluorescencia. Este sistema se ha utilizado en diversos escenarios que consisten en una superficie sobre la que se distribuye de manera relativamente homogénea una cantidad de sal. Para ellos se ha tenido en cuenta que en un tratamiento típico preventivo para evitar la formación de hielo se esparcen del orden de 15 g/m2 de sal, así que se han preparado cinco escenarios con distintas dosificaciones de sal desde 0 hasta 20 g/m2 y se han analizado con el prototipo de sensor desarrollado. Los resultados de estas medidas se muestran en la Figura 12, en la que es relevante destacar el hecho de que gran parte de la incertidumbre asociada a las medidas se debe a la distribución de las muestras de sal no completamente uniforme ni homogénea en todas las pruebas. En esta figura se puede observar que se mide con incertidumbres típicas en el rango de 2 g/m2 mientras que es posible detectar dosificaciones por debajo de los límites requeridos (15 g/m2).

5.4. Técnicas de procesamiento para sensores basados en espectroscopia óptica

En el apartado anterior se han investigado diferentes técnicas para la implementación de un sensor óptico remoto para la monitorización del estado de la calzada con el objetivo de desarrollar un sistema de medida robusto que pueda monitorizar la superficie de la calzada

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Ilustración 11. Espectro de emisión de muestras de sal cuando se ilumina con λexc = 273 nm

En este experimento también se ha utilizado el montaje experimental representado en la Ilustración 6 modificando los componentes ópticos para testar esta técnica de medida de fluorescencia para la implementación de sensores de salinidad residual en carreteras. En estas pruebas se ha utilizado como dispositivo emisor un LED ultravioleta (UVTOP275) cuyo espectro de emisión está centrado en 275 nm y también se ha colocado un filtro rojo delante del fotodetector de manera que sólo se mide la luz emitida en el entorno de 610 nm. Para este sistema se ha desarrollado una técnica de detección específica que tiene en cuenta el tiempo de vida de fluorescencia. Este sistema se ha utilizado en diversos escenarios que consisten en una superficie sobre la que se distribuye de manera relativamente homogénea una cantidad de sal. Para ellos se ha tenido en cuenta que en un tratamiento típico preventivo para evitar la formación de hielo se esparcen del orden de 15 g/m2 de sal, así que se han preparado cinco escenarios con distintas dosificaciones de sal desde 0 hasta 20 g/m2 y se han analizado con el prototipo de sensor desarrollado. Los resultados de estas medidas se muestran en la Ilustración 12, en la que es relevante destacar el hecho de que gran parte de la incertidumbre asociada a las medidas se debe a la distribución de las muestras de sal no completamente uniforme ni homogénea en todas las pruebas. En esta figura se puede observar que se mide con incertidumbres típicas en el rango de 2 g/m2 mientras que es posible detectar dosificaciones por debajo de los límites requeridos (15 g/m2).

Figura 11. Espectro de emisión de muestras de sal cuando se ilumina con λexc = 273 nm

Ilustración 12. Resultados de las medidas de concentración de sal sobre pavimento seco. Existe una relación lineal entre la medida y la cantidad de sal residual

5.4. Técnicas de procesamiento para sensores basados en espectroscopia óptica En el apartado anterior se han investigado diferentes técnicas para la implementación de un sensor óptico remoto para la monitorización del estado de la calzada con el objetivo de desarrollar un sistema de medida robusto que pueda monitorizar la superficie de la calzada estando embarcado en un vehículo de mantenimiento. Para ello, lo que se propone es evitar la utilización de sistemas opto-mecánicos complejos y explotar las características de los emisores de luz basados en semiconductor, caracterizados por espectros de emisión estrechos y que permiten la modulación directa de la intensidad de salida para ser utilizados con técnicas de detección síncrona.

Las conclusiones de los experimentos realizados fueron que la técnica de espectroscopia por reflexión difusa basada en diodos láser es óptima para el desarrollo de un sensor móvil remoto para la determinación del estado del pavimento y basado en ella se ha implementado un prototipo de sensor que se describe de manera detallada en la siguiente sección. Utilizando este prototipo se han realizado diversas pruebas en la que se monitorizan las propiedades del espectro en función del estado de la calzada, tomando una gran cantidad de ejemplos de cada caso.

La información obtenida de la parte de un sensor correspondiente a la espectroscopia óptica necesita ser procesada para proporcionar información acerca de la condición de una carretera, pues inicialmente lo que se obtiene son variaciones en intensidades de luz a longitudes de onda específicas. Por eso es necesario aplicar técnicas de procesamiento de datos para traducir dicha información en el resultado que se desea: Posibles estados de la calzada consecuencia de causas

Am

plitu

d de

Flu

ores

cenc

ia (

a.u.

)

Concentración de sal (g/m2)

Figura 12. Resultados de las medidas de concentración de sal sobre pavimento seco. Existe una relación lineal entre la medida y la cantidad de sal residual

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estando embarcado en un vehículo de mantenimiento. Para ello, lo que se propone es evitar la utilización de sistemas opto-mecánicos complejos y explotar las características de los emisores de luz basados en semiconductor, caracterizados por espectros de emisión estrechos y que permiten la modulación directa de la intensidad de salida para ser utilizados con técnicas de detección síncrona.

Las conclusiones de los experimentos realizados fueron que la técnica de espectroscopia por reflexión difusa basada en diodos láser es óptima para el desarrollo de un sensor móvil remoto para la determinación del estado del pavimento y basado en ella se ha implementado un prototipo de sensor que se describe de manera detallada en la siguiente sección. Utilizando este prototipo se han realizado diversas pruebas en la que se monitorizan las propiedades del espectro en función del estado de la calzada, tomando una gran cantidad de ejemplos de cada caso.

La información obtenida de la parte de un sensor correspondiente a la espectroscopia óptica necesita ser procesada para proporcionar información acerca de la condición de una carretera, pues inicialmente lo que se obtiene son variaciones en intensidades de luz a longitudes de onda específicas. Por eso es necesario aplicar técnicas de procesamiento de datos para traducir dicha información en el resultado que se desea: Posibles estados de la calzada consecuencia de causas climáticas (por ejemplo seco, mojado, con escarcha, con nieve, con hielo), estimación del coeficiente de fricción, salinidad residual o temperatura de congelación.

Dentro de las técnicas de procesamiento más utilizadas se encuentran algoritmos de clasificación de datos procedentes del aprendizaje máquina y técnicas de selección y reducción de características (variables). El aprendizaje máquina o aprendizaje automático es un conjunto de técnicas desarrollado para crear algoritmos que permitan la inducción del conocimiento a partir de información no estructurada proporcionada en forma de ejemplos. En este trabajo se han utilizado redes neuronales y las máquinas de vectores soporte [Rui10]. Ambos algoritmos se han utilizado para clasificar los distintos estados de la calzada partiendo como datos de entrenamiento las medidas realizadas en el laboratorio.

Por otra parte, para realizar una reducción de las características existen dos técnicas muy utilizadas para el procesamiento de datos. Una de ellas es el análisis de componentes principales (PCA), una técnica muy utilizada para realizar una reducción de características que permite ajustar la dimensionalidad de los datos para visualizarlos o comprimirlos. Puede ser definida como una proyección ortogonal de datos a un espacio de menor dimensión de tal manera que los valores de varianza de los datos proyectados sea máxima. El objetivo que se persigue con este análisis es la descripción de la información contenida en los datos originales usando un número reducido de variables sin que esto involucre mucha pérdida de la información original. Otra forma de separación de variables es el método conocido como análisis de componentes independientes (ICA). Esta técnica es

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utilizada bajo la premisa que los componentes resultantes de la separación son datos de distribución no gaussiana y estadísticamente independientes. Estas suposiciones son muy importantes pues la idea del método es encontrar los datos básicos de un sistema que no guarden relación entre sí, pero que dan lugar combinados a la información disponible con la cual se trabaja posteriormente para la clasificación de los distintos estados de la calzada.

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En la siguiente ilustración puede verse una fotografía del sistema sensor completamente funcional desarrollado en los laboratorios de la Universidad Carlos III de Madrid que permite ser instalado a bordo de un vehículo. A continuación se describen los sistemas electrónicos y ópticos que, como puede verse en la fotografía, se han montado en el interior de una carcasa para cámaras CCD.

La fuente de iluminación son tres diodos láser acoplados a fibra, cada uno de ellos emitiendo a una longitud de onda diferente dentro de las ventanas de comunicaciones ópticas. Para garantizar que los tres láseres iluminen el mismo área de la calzada se ha utilizado un acoplador de fibra óptica que combina las emisiones de los tres láseres. Finalmente un colimador acoplado a fibra permite ajustar el tamaño del spot en función de la distancia a la superficie de la calzada. En el sistema de recepción se ha utilizado un fotodiodo de área ancha y una lente de manera que se capte una gran parte de la reflexión difusa emitida en la superficie de la calzada. Todos estos elementos ópticos se han montado solidariamente utilizando sistemas optomecánicos de alta precisión. El sistema óptico ha sido optimizado para colocar al sensor a una distancia de 15 cm sobre la superficie de la calzada ajustando la potencia de emisión de los láseres a tan solo 3 mW.

El sistema electrónico lo componen tres placas de circuito impreso con las funciones de interfaz optoelectrónica, alimentación, y control y comunicaciones.

• La interfaz optoelectrónica consiste en los circuitos analógicos de inyección de corriente a los láseres (incluyendo protecciones para evitar cualquier daño a estos dispositivos delicados) y de amplificación de la señal que proporciona el fotodetector.

• El sistema sensor se alimenta con una tensión continua de 48 V. El sistema de alimentación regula las alimentaciones a cada uno de los circuitos del sistema (circuitos analógicos y circuitos digitales). Además está preparada para recargar baterías.

• El núcleo del sensor realiza las operaciones de control y comunicaciones y ha sido implementado utilizando una FPGA. Esta FPGA se encarga de varias funciones:

1. Modulación y demodulación de las señales ópticas. Para esta función se han implementado en la FPGA tres sintetizadores digitales de señal y tres demoduladores síncronos que dan información de la amplitud y la fase de la señal recibida a cada longitud de onda.

6. Descripción de un prototipo funcional de medida del estado de la calzada

basado en Tecnologías Ópticas

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Ilustración 13. Fotografía del sensor de estado de calzada desarrollado en la UC3M

La fuente de iluminación son tres diodos láser acoplados a fibra, cada uno de ellos emitiendo a una longitud de onda diferente dentro de las ventanas de comunicaciones ópticas. Para garantizar que los tres láseres iluminen el mismo área de la calzada se ha utilizado un acoplador de fibra óptica que combina las emisiones de los tres láseres. Finalmente un colimador acoplado a fibra permite ajustar el tamaño del spot en función de la distancia a la superficie de la calzada. En el sistema de recepción se ha utilizado un fotodiodo de área ancha y una lente de manera que se capte una gran parte de la reflexión difusa emitida en la superficie de la calzada. Todos estos elementos ópticos se han montado solidariamente utilizando sistemas optomecánicos de alta precisión. El sistema óptico ha sido optimizado para colocar al sensor a una distancia de 15 cm sobre la superficie de la calzada ajustando la potencia de emisión de los láseres a tan solo 3 mW.

El sistema electrónico lo componen tres placas de circuito impreso con las funciones de interfaz optoelectrónica, alimentación, y control y comunicaciones.

La interfaz optoelectrónica consiste en los circuitos analógicos de inyección de corriente a los láseres (incluyendo protecciones para evitar cualquier daño a estos dispositivos delicados) y de amplificación de la señal que proporciona el fotodetector.

El sistema sensor se alimenta con una tensión continua de 48 V. El sistema de alimentación regula las alimentaciones a cada uno de los circuitos del sistema (circuitos analógicos y circuitos digitales). Además está preparada para recargar baterías.

El núcleo del sensor realiza las operaciones de control y comunicaciones y ha sido implementado utilizando una FPGA. Esta FPGA se encarga de varias funciones:

1. Modulación y demodulación de las señales ópticas. Para esta función se han implementado en la FPGA tres sintetizadores digitales de señal y tres demoduladores síncronos que dan información de la amplitud y la fase de la señal recibida a cada longitud de onda.

Figura 13. Fotografía del sensor de estado de calzada desarrollado en la UC3M

2. Procesamiento de datos. La FPGA tiene además un procesador NIOS II empotrado. Este procesador corre un programa que controla la adquisición de datos y puede proporcionar al usuario los datos adquiridos (amplitud y fase de las señales recibidas) o directamente informar sobre el estado de la calzada.

3. Interfaz de calibración. Mediante un interfaz de comunicaciones RS-232 se pueden ajustar los parámetros de operación del sistema, como por ejemplo el tiempo de adquisición de datos, el intervalo de muestreo, potencias de emisión, etc.

4. Interfaz de comunicación. Se ha implementado un protocolo básico de comunicaciones tomando como referencia la normativa aplicable a los sensores de variables atmosféricas en carretera.

Las pruebas realizadas con el prototipo descrito han demostrado su utilidad para estimar los espesores de la capa de agua o hielo sobre la superficie de la calzada y para distinguir distintos estados. Los datos representados en las siguientes gráficas fueron obtenidos realizando medidas a tres distancias diferentes entre el sensor y la superficie de medida: 10cm, 15cm y 20cm. Esto se realizó para permitir un margen de tolerancia de funcionamiento del sistema ante posibles variaciones de distancia que pueden presentarse en una plataforma móvil de medida. Además, se utilizaron cuatro tipos de asfalto con el fin de estudiar el comportamiento del sistema ante superficies de diversas características de color, textura y absorción del agua.

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La primera información relevante se puede extraer directamente de la relación entre los cocientes de las amplitudes de las señales a cada longitud de onda. Las gráficas de la Figura 14 muestran esta evolución del ratio de la potencia recibida a 1550 nm sobre la potencia recibida a 1310 nm en el eje Y frente a la evolución de la potencia recibida a 1470 nm sobre la potencia recibida a 1310 nm en el eje X para distintos espesores de la capa de hielo (gráfica izquierda) y distintos espesores de la capa de agua (gráfica derecha). En ambas gráficas ambos ratios disminuyen pero en el caso del agua disminuye más rápidamente el cociente 1470/1310. Con esta información, una vez que se conoce el estado de la calzada es posible estimar el espesor de la capa de agua o hielo sobre la superficie.

El sistema diseñado cuenta con la capacidad de realizar medidas tanto en serie como en paralelo. Las primeras sirven para estudiar el comportamiento de cada longitud de onda por separado ante un determinado estado de asfalto, mientras que las últimas aprovechan la ventaja del acople óptico de emisión del prototipo para realizar la emisión de varios canales al mismo tiempo y poder obtener un resultado referenciado a los canales emitidos. Esta última medida sirve para estudiar variaciones en fase de un canal respecto al otro debido a la condición de la carretera de medida. En las medidas realizadas, con distintos tipos de asfalto, se ha comprobado que la información de los cocientes entre las amplitudes de las señales a las tres longitudes de onda no es suficiente para distinguir varios estados, por lo que también se emplean las medidas de desfase en los algoritmos de clasificación.

Ilustración 14. Evolución de los cocientes de potencias recibidas para distintos espesores de las capas de hielo (izquierda) y agua (derecha).

El sistema diseñado cuenta con la capacidad de realizar medidas tanto en serie como en paralelo. Las primeras sirven para estudiar el comportamiento de cada longitud de onda por separado ante un determinado estado de asfalto, mientras que las últimas aprovechan la ventaja del acople óptico de emisión del prototipo para realizar la emisión de varios canales al mismo tiempo y poder obtener un resultado referenciado a los canales emitidos. Esta última medida sirve para estudiar variaciones en fase de un canal respecto al otro debido a la condición de la carretera de medida. En las medidas realizadas, con distintos tipos de asfalto, se ha comprobado que la información de los cocientes entre las amplitudes de las señales a las tres longitudes de onda no es suficiente para distinguir varios estados, por lo que también se emplean las medidas de desfase en los algoritmos de clasificación.

Teniendo los resultados de las medidas ópticas de una superficie, es necesario implementar técnicas para el procesamiento de datos con el fin de lograr transformar los mismos en los estados de la calzada que se desean identificar. Para ello se ha recurrido al uso de distintos clasificadores, siendo una red neuronal entrenada mediante retropropagación el método elegido teniendo en cuenta errores de clasificación y su posterior implementación en la FPGA. Para el entrenamiento se utilizaron tres tipos de asfalto distintos, empleando el cuarto tipo de asfalto para verificar el clasificador. Los diferentes estados y los resultados del clasificador se representan en la siguiente ilustración. En dicha figura sólo se representan dos de los ocho parámetros (o características) de las señales utilizadas en el entrenamiento.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1470/1310

1550

/131

0

Medidas de Hielo

HieloAjusteY = T

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1470/131015

50/1

310

Medidas de Agua

AguaAjusteY = T

Figura 14. Evolución de los cocientes de potencias recibidas para distintos espesores de las capas de hielo (izquierda) y agua (derecha).

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Teniendo los resultados de las medidas ópticas de una superficie, es necesario implementar técnicas para el procesamiento de datos con el fin de lograr transformar los mismos en los estados de la calzada que se desean identificar. Para ello se ha recurrido al uso de distintos clasificadores, siendo una red neuronal entrenada mediante retropropagación el método elegido teniendo en cuenta errores de clasificación y su posterior implementación en la FPGA. Para el entrenamiento se utilizaron tres tipos de asfalto distintos, empleando el cuarto tipo de asfalto para verificar el clasificador. Los diferentes estados y los resultados del clasificador se representan en la Figura 15. En ella sólo se representan dos de los ocho parámetros (o características) de las señales utilizadas en el entrenamiento.

Ilustración 15. Clasificación de estados de la calzada basada en medidas de diferencia de absorción. Las agrupaciones de datos corresponden a estados de la calzada distintos

7. Conclusiones En este cuaderno se presenta la tendencia actual y se justifican las necesidades de utilizar sensores embarcados como herramienta imprescindible para tomar decisiones en las actividades de mantenimiento de la vialidad invernal.

La tecnología de sensores embarcados debe permitir monitorizar el estado de la calzada sin contacto con la misma. En este documento se analizan diversas soluciones llegando a la conclusión que la espectroscopia por reflexión difusa presenta grandes ventajas para el desarrollo de este tipo de sensores.

En este documento se describen los fundamentos de la técnica de medida, se presentan los trabajos de investigación previos que permiten estudiar las condiciones de operación de sensores que proporcionan información del estado de calzada, incluyendo la medida de salinidad residual en pavimento seco. Finalmente se describen las características de un prototipo completamente funcional para ser embarcado capaz de dar información sobre el estado de la calzada y estimar los espesores de las capas de agua o hielo.

8. Referencias [Ber13] M. Bertozzi, R. Fedriga and C. D’Ambrosio, "Adverse Driving Conditions Alert: Investigations on the SWIR Bandwidth for Road Status Monitoring" in SWIR Bandwidth for Road Status Monitoring Image Analysis and Processing ICIAP 2013. Ed: Springer Berlin Heidelberg, 2013, pp. 592-601.

Figura 15. Clasificación de estados de la calzada basada en medidas de diferencia de absorción. Las agrupaciones de datos corresponden a estados de la calzada distintos.

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En este cuaderno se presenta la tendencia actual y se justifican las necesidades de utilizar sensores embarcados como herramienta imprescindible para tomar decisiones en las actividades de mantenimiento de la vialidad invernal.

La tecnología de sensores embarcados debe permitir monitorizar el estado de la calzada sin contacto con la misma. En este documento se analizan diversas soluciones llegando a la conclusión que la espectroscopia por reflexión difusa presenta grandes ventajas para el desarrollo de este tipo de sensores.

En este documento se describen los fundamentos de la técnica de medida, se presentan los trabajos de investigación previos que permiten estudiar las condiciones de operación de sensores que proporcionan información del estado de calzada, incluyendo la medida de salinidad residual en pavimento seco. Finalmente se describen las características de un prototipo completamente funcional para ser embarcado capaz de dar información sobre el estado de la calzada y estimar los espesores de las capas de agua o hielo.

7. Conclusiones

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[Ber13] M. Bertozzi, R. Fedriga and C. D’Ambrosio, “Adverse Driving Conditions Alert: Investigations on the SWIR Bandwidth for Road Status Monitoring” in SWIR Bandwidth for Road Status Monitoring Image Analysis and Processing ICIAP 2013. Ed: Springer Berlin Heidelberg, 2013, pp. 592-601.

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8. Referencias

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