Contribución a la solución del problema inverso en la detección remota de gases y partículas mediante radiometría espectral y de imagen en el infrarrojo
- Autores: Francisco Cortés Martínez
- Directores de la Tesis: Fernando López Martínez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Vázquez Martínez (presid.), José Manuel Sánchez Pena (secret.), Joaquín Campos Acosta (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
Desde hace más de 25 años, el Grupo de Investigación Laboratorio de Sensores de Imagen Infrarroja y Teledetección de la Universidad Carlos III de Madrid (LIR-UC3M), abreviadamente “Infrared Lab”, desarrolla una intensa actividad en I+D en el campo de la óptica en general y en el estudio de la interacción entre la radiación infrarroja y la materia en particular, al objeto de extraer de forma remota las propiedades de la propia materia con la que interacciona. Comprender con precisión los detalles que tienen lugar en los procesos de transferencia radiativa es fundamental a la hora de encarar cualquier problema relacionado con teledetección, medida sin contacto, y en general, la obtención de datos cuantitativos de la materia mediante instrumentación o sensores basados en dispositivos de infrarrojo. Por otro lado, la materia en su forma más estable, está constituida habitualmente por moléculas, y éstas presentan una estructura de bandas con transiciones electrónicas vibro-rotacionales que corresponden a energías de los fotones, emitidos o absorbidos, en las diferentes bandas del espectro infrarrojo (IR). Este hecho permite detectar la presencia de esas moléculas analizando espectralmente las líneas o bandas (estrechas) de absorción/emisión que es característica y univoca de la sustancia (firma espectral) en la fase gaseosa. En el estado sólido los espectros forman bandas más o menos anchas, también características de la composición molecular de la muestra. En este contexto, la radiometría espectral infrarroja es la base fundamental de todas las líneas de investigación del Grupo y por supuesto, de esta Tesis. Más concretamente y como fruto de un vasta experiencia en numerosos proyectos de naturaleza muy diferente, aparecen como filosofía general y valor científico diferenciador del LIR-UC3M, los sistemas espectralmente optimizados. Estos pueden ser monoespectrales, que operan en una única banda pero óptimamente seleccionada de acuerdo a la aplicación. Multiespectrales, más complejos que los anteriores, operan en pocas bandas (2, 3, 4…) y son instrumentos operativos también adaptados a un problema concreto. Finalmente los sistemas hiperespectrales, los más complejos tanto a nivel de dispositivo como de tratamiento de los datos, son capaces de analizar cientos o miles de bandas y fundamentalmente se emplean con fines científicos como herramienta de análisis ante un fenómeno desconocido y que por tanto no puede ser simulado en una primera aproximación. Asimismo, en este último cuarto de siglo, la revolución tecnológica también ha tenido un fuerte impacto en los sensores de infrarrojo, el abaratamiento del proceso productivo de detectores, lentes, filtros electrónica, etc., está dando pie a una implantación de la tecnología infrarroja cada vez en más sectores. Sin embargo, se da la paradoja que salvo en las aplicaciones de termografía, la mayoría de los avances en la tecnología de los fotodetectores y las ópticas IR y su abaratamiento, se han dedicado casi en exclusiva a la visión térmica, de la mano de las aplicaciones militares, que llegan hasta el equipamiento con cámara térmica de cada soldado, o de las de seguridad. Existe una enorme cantidad de aplicaciones aún por explorar, de alto valor añadido que requieren soluciones más cualificadas que las existentes actualmente. Precisamente, con la incorporación de sistemas de imagen espectralmente selectivos con una o varias bandas, en lugar de sistemas de banda ancha, se pueden abordar problemas que actualmente no disponen de una solución pero si de un enorme potencial tecnológico. Se trata de definir y desarrollar verdaderos espectrómetros de imagen en las bandas de interés para una aplicación determinada. Es decir, instrumentos de precisión pero que además hacen imagen sobre el escenario. Aportan dos ventajas estratégicas sobre los detectores actuales: Por un lado hacen imagen, lo que es un avance cualitativo en las propiedades de los sistemas de detección óptica, ya que permite incorporar técnicas y algoritmos de procesado de imagen, y optimizar la eficiencia, sobre todo en detección remota. Por otro lado, tener del orden de 105 o 106 detectores en el plano focal, previsiblemente más en el futuro, es un aspecto clave en las prestaciones de los sistemas ópticos IR actuales. Cada uno de ellos es, en potencia, un sensor elemental que detecta fotones a diferentes longitudes de onda, provenientes de una fuente a lo largo de un camino y que es aplicable a la detección de un gas, de la temperatura de una región o de cualquier otra propiedad de la materia con la que esos fotones interactúan en su camino hacia el sistema IR. Esta Tesis tiene como objetivo último demostrar las ventajas de los sistemas multiespectrales en problemas complejos, en la resolución del problema inverso en la detección remota, mediante sensores IR, de compuestos o propiedades de interés, que de otra manera no serían unívocos. Para ello, se ha empleado una metodología basada en el modelado y la simulación del problema radiométrico como herramienta para la comprensión del problema y la posterior aplicación de técnicas de medida, resolución del problema inverso y recuperación de datos. El carácter espectral de la señal utilizada proporciona, una gran robustez al sistema, con los dos parámetros característicos que definen la calidad de un sistema global de detección, la Probabilidad de Detección (PD) y la Tasa de Falsa Alarma (TFA). La selección óptima de las bandas es un tema clave en este problema. Los resultados de investigaciones previas a este trabajo en el LIR-Infrared Lab, indican que en general hay un número bajo de Longitudes de Onda que resuelven óptimamente un problema concreto y que usar un número mayor puede generar problemas de sobredimensionamiento que reducen las prestaciones globales del sistema en la PD y la PFA Las importantes capacidades de los sistemas espectralmente optimizados, se han demostrado en este trabajo a través de dos aplicaciones que dan soluciones específicas a problemas muy diferentes entre sí. Una de ellas, es la relativa a sensores de imagen infrarroja multiespectral para detectar las emisiones de los vehículos más contaminantes a través del estudio radiativo de la pluma de gases de escape. La otra es un sensor infrarrojo bi-espectral y bi-direccional de baja masa para el estudio in-situ del polvo en suspensión en la superficie de Marte. El denominador común de estas aplicaciones radica en que ambas presentan unas características espectrales muy definidas. Ambos problemas han podido ser modelados radiométricamente lo que hace posible simular los escenarios potenciales y definir la mejor solución dentro de los límites fijados. Finalmente, las dificultades en ambos casos también son del mismo tipo: su resolución por métodos convencionales plantea un problema de indeterminación y es que existen infinitas combinaciones de variables que intervienen en el proceso de transferencia radiativa y que arrojan el mismo resultado directo, es decir una secuencia temporal, organizada espacialmente, de mV proporcionados por los detectores. Por tanto, es necesario y ese ha sido nuestra aportación fundamental en este trabajo de tesis, proponer metodologías que permitan resolver con la suficiente precisión y dentro de los límites fijados, el problema inverso de manera unívoca. Es decir, a partir de los datos (mV) proporcionados por los detectores, como respuesta a la evolución temporal de las propiedades y características de la nube de gas emitida por un vehículo o de la distribución de partículas en una cierta región de Marte, obtener la concentración de gases o partículas, e incluso su temperatura, de manera unívoca.
