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INSTITUTO POLTÉCNICO NACIONAL
―La Técnica al Servicio de la Patria‖
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
UNIDAD ZACATENCO
―Sistema Láser para detección de movimiento en un circuito
cerrado‖
T
E S
I
S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO
CON
DISEÑO
EN
CIENCIAS
ESPECIALIDAD
EN
MECÁNICO
P R E S E N T A :
ING. FEDERICO JAVIER GUERRERO CASTANEDO
DIRIGIDA POR:
DR. CARLOS TORRES TORRES
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN
Julio de 2014
ACTA REVISIÓN DE TESIS
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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CARTA CESIÓN DE DERECHOS
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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
AGRADECIMIENTOS
Al:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Por las facilidades otorgadas al permitirme trabajar en sus aulas de clase y en sus
laboratorios de investigación.
A los excelentes doctores que hicieron posible mi formación académica:
Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón
Dr. Carlos Torres Torres
Dr. Luis Héctor Hernández Gómez
Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa
Dr. Samuel Alcántara Montes
Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández
Dra. Beatriz Romero Ángeles
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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DEDICATORIAS
Este trabajo de Tesis se ha logrado gracias a la fortuna de contar con mucha gente muy
valiosa de la cual estuve rodeado y algunos de ellos tuve la fortuna de conocer durante
mis estudios de posgrado.
Dedico el presente trabajo a mi esposa Irasema; Eres y has sido muy importante
en mi vida, gracias por haberme impulsado a su término a pesar de las circunstancias
adversas que hemos enfrentado y por la confianza que has puesto en mi para el término
de la misma. Sé que ha habido días de incertidumbre para ti y ahora este trabajo se
termina gracias a tu apoyo.
A mis hijos, Javier y Oscar, les dedico el presente trabajo, gracias por soportar
días de tensión o de aislamiento en donde por trabajos que entregar tuve que ausentarme
por momentos, sin embargo quiero que sepan que siempre están en mi mente todo el
tiempo.
Dedico también este trabajo a mis padres Francisco y Elena quien bajo sus
enseñanzas de vida me han forjado con herramientas y bases para enfrentar cualquier
adversidad presentada y venidera. Gracias por sus enseñanzas de vida.
Así también a mi suegra Tere por sus buenas vibras y bendiciones desde
Monterrey quien también ha influenciado en mi formación profesional y que a pesar de
la distancia también la llevo en mi ser. Gracias.
Desde luego eternamente agradecido con mis directores de tesis Dr. Carlos Torres
Torres y Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón. Gracias por sus enseñanzas, consejos,
apoyo, todo esto continuo en la elaboración de la tesis. Fue un gran placer conocer y
aprender de personas como ustedes de los cuáles dejan huella en mi persona.
Así también a mis profesores de carrera: Dr. Luis Héctor Hernández Gómez,
Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa, Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández, Dr. Samuel
Alcántara Montes, de los cuáles he aprendido a dar mucho valor a la investigación y a
cuestionar el entorno de la ciencia siempre buscando alternativas y propuestas de
resolución a problemas existentes. Gracias por su paciencia y dedicación.
Finalmente a mis compañeros de carrera quien con base en sus conocimientos y
habilidades pudimos formar equipos de trabajo que me permitieron aprender de cada uno
de ellos para poder concluir con éxito las materias asignadas. Gracias por su apoyo.
Por todo esto y por mucho más Gracias a todos.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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RESUMEN
RESUMEN
Esta investigación se enfoca en la aplicación de las propiedades técnicas del rayo
láser como detector ultrasensible de cambios en un sistema de Circuito Cerrado de
Televisión lo cual realice la función de detección de movimiento cuando la cámara de
seguridad sea obstruida en su lente en principio o bien cuando la zona de movimiento a
cubrir se encuentre fuera del alcance de la visión de escena de la cámara.
Esto es posible realizarlo debido a las propiedades que tiene el Láser como rayo de Luz
emite fotones los cuáles tienen un comportamiento de reflexión, absorción y de Inducción
que pueden ser dirigidos de tal forma que podamos emitir desde un punto A, ser
transmitidos por un medio determinado B que traigan información del medio y que
posteriormente puedan ser recolectados por medio de sensores en otro punto C.
Los sistemas de detección actuales utilizan para sistemas de vigilancia utilizan la
misa escena de la cámara para poder generar alarmas de movimiento por lo que son
vulnerables a que la imagen se obstruya o bien solo estar confinados a la escena visible
para su detección.
Con este sistema nuevo de detección evitamos vulnerabilidad a la cámara de seguridad
poniendo un sistema alterno utilizando el interferómetro de división de Frente de Onda
que hace que el rayo de Luz se esparza a través de un orificio permitiendo distribuir el
rayo de luz en otras direcciones y el interferómetro de Mach-Zehner utilizando espejos
de reflectores podemos detectar zonas de movimiento que alteran el rayo de Luz
produciendo cambios en un sensor final que integrado y calibrado al sistema de Circuito
Cerrado de Televisión podemos detectar movimiento y entregar alarmas específicas para
vigilancia.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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ABSTRACT
ABSTRACT
This investigation focuses in the application of the technical properties of the laser like
ultrasensitive detector of changes in a system of Closed Circuit of Television which
realizes the function of detection of movement when the safety camera is obstructed in its
lens at first or when the area of movement to be covered is out of the scope of the vision
of scene of the camera.
This is possible to realize it due to the properties that the Laser takes as a Light beam
expresses photons which have a behavior of reflection, absorption and of Induction that
they can be directed in such a way that we could express from a point A, be transmitted
by a certain way B that bring information of the way and that later could be gathered by
means of sensors in another point C.
The current detection systems use for alertness systems use the mass scene of the camera
to be able to generate movement alarms therefore they are vulnerable to that the image is
obstructed or only to be confined in the visible scene for its detection.
With this new detection system we avoid vulnerability to the safety camera putting an
alternate system using the interferometer of division of wave Front that does that the
Light beam scatters across an orifice allowing to distribute the light beam in other
directions and the interferometer of Mach-Zehner using searchlights mirrors can detect
areas of movement that alter the Light beam producing changes in a final sensor that
integrated and calibrated to the system of Closed Circuit of Television we can detect
movement and deliver specific alarms for alertness.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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OBJETIVOS
OBJETIVOS
Objetivo General
Investigar al Rayo Láser como una fuente Luz utilizando las características de
Refracción, Reflexión y Absorción para la utilización como detector de movimiento en
un sistema de Circuito Cerrado de Televisión.
Objetivos Particulares
 Aplicar el comportamiento de reflexión en dos sistemas de interferometría:
El de frente de Onda y el de Mach-Zehner para realizar detección de
movimiento.
 Sincronizar la detección de movimiento obtenida por una fuente de Luz
Láser con una cámara de seguridad para un circuito cerrado de Televisión.
 Investigar la forma de esparcimiento de Láser con respecto a diferentes
tipos de superficies para la obtención de diferentes resultados de medición.
 Investigar el máximo comportamiento que podemos obtener entre el rayo
Láser a alta frecuencia y una cámara de seguridad que trabaja a 30
Imágenes por segundo.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
8
JUSTIFICACIÓN
JUSTIFICACIÓN
Los sistemas modernos ya se encuentran en una etapa de integración es decir todas
las diferentes disciplinas de la ciencia ya non vistas por separado sino más bien
integradas en un punto de convergencia. Es por eso que el estudio de las propiedades
ópticas de Láser en conjunto con los sistemas de medición y las propiedades de
materiales junto con la aplicación de Tecnología IP de software y hardware pueden
integrarse en un punto de convergencia dando por resultado una completa integración de
elementos que permiten el desarrollo de sistemas de medición modernos para
aplicaciones específicas.
Para detectar el cambio de textura en la superficie, ocasionado por el contacto
mecánico, se puede hacer uso de la técnica conocida como Esparcimiento de Luz Láser o
LLS, por sus siglas en inglés: Láser Light Scattering.
La mayoría de las aplicaciones de la luz láser esparcida están enfocadas
principalmente a la correlación que se obtiene entre la intensidad de la LLS con la microtextura de la superficie (rugosidad rms Rq menor a 1 μm), pero no para mayores
modificaciones en la macro-textura (topografía) de la superficie como las obtenidas en un
ensayo de desgaste que llegan a formar un surco o huella de décimas de milímetro de
profundidad. Domínguez et al, demostraron experimentalmente la factibilidad del uso de
la técnica LLS al estudio del desgaste en tiempo real en un tribómetro de perno en disco,
haciendo incidir un haz de luz láser sobre la huella de desgaste en el disco y un detector
óptico para registrar los cambios de intensidad LLS ocasionados por los cambios en
topografía superficial producidos. Los resultados obtenidos muestran que el sistema
óptico de detección de LLS es sensible a los cambios en la topografía de la superficie del
disco, provocados por el desgaste [9]. Estas observaciones sugieren aplicaciones de
interés para el estudio de desgaste en superficies de ingeniería, las cuales se forman a
través de procesos de manufactura como: torneado, fresado, barrenado, entre otros [12].
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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JUSTIFICACIÓN
Las actuales cámaras de seguridad requieren tener un ángulo de visión adecuado
y libre de obstrucción para poder ver la escena completa, sin embargo cuando estas son
obstruidas por algún medio físico el campo de visión se elimina, ocasionando que la
imagen de la escena desaparezca, poniendo vulnerable un sistema de vigilancia ante un
evento no deseado. Sin embargo integrando un sistema láser de detección al sistema de
videovigilancia ayudar a la detección de eventos aún cuando la cámara sea obstruida.
Actualmente los sistemas de videovigilancia desarrollan Análisis Inteligentes de
Video en donde por medio de software ayudan al sistema en la detección de robo de
Objetos, Conteo de personas en un área específica, detección de merodeadores, dirección
de movimiento, objetos olvidados, etc. Estos Analíticos Inteligentes detectan situaciones
y alteraciones en un ambiente estable por lo cual es posible detectar con anticipación
cualquier variación al mismo pudiendo actuar de forma anticipada.
Cualquier sistema tiene vulnerabilidad ante circunstancias fuera de su entorno, por
lo cual aunque estos analíticos inteligentes sean muy sofisticados estos solo son
funcionales cuando la cámara de seguridad esté detectando imagen, sin embargo cuándo
esta es obstruida en su lente o bien tenga un fallo en su funcionamiento, los sistemas de
vigilancia por más sofisticado que tenga en su desarrollo de software perderá la detección
volviendo vulnerable al sistema.
Por tal motivo este experimento lo que realiza es la medición y detección de
movimiento con el apoyo de un rayo Láser que sea integrado al sistema de vigilancia
permitiendo poder detectar variaciones en el entorno visible de la cámara y aún en
lugares en donde la cámara tenga puntos ciegos, como pasillos, plantas bajas, periferias,
etc.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
10
JUSTIFICACIÓN
Utilizando las características de reflexión de Láser también se desarrolla la
medición de detección de cambio de presión en recipientes que contengan procesos
químicos o elementos de transmisión de líquidos ó gases. Esto ayudará en los sistemas de
detección en donde se realizan procesos de refinación como el petróleo, ya que en estos
procesos se elaboran por medio de hornos y presión la separación de los diferentes
derivados del petróleo pasando por diferentes medios a alta presión.
Los sistemas actuales de vigilancia utilizan cámaras térmicas en muy alto costo para
poder detectar los cambios de temperatura de los recipientes y los elementos de
transmisión como tuberías a distancias de más de 100 metros.
Con este sistema de detección Láser podemos detectar los cambios que tenga la
superficie a medir con respecto los cambios en su interior pudiendo detectar estos
cambios y enviar alarmas de seguridad al sitio central.
Otra aplicación al sistema de videovigilancia con rayo Láser es la detección de
frecuencia del ritmo cardiaco en una determinada escena. Las alteraciones de ritmo
cardiaco en las personas ocurren cuando presentan alguna alteración de carácter
emocional influyendo en todo su sistema nervioso. Por tal motivo una persona que se
encuentre en estado de alteración porque va a realizar algún ilícito como robo o
delincuencia podrá ser detectada con anticipación por medio de la detección de la
frecuencia cardiaca, la cuál es calibrada con parámetros específicos para el envío de
alarmas al sistema.
En México se desarrolla software específico para análisis inteligente de video pero
esto es solo limitado al hardware existente ya que la tecnología de desarrollo se encuentra
en otros países como Estados Unidos, Suecia, Francia, etc., resultando productos
altamente costosos para los sistemas. Por tal motivo la evolución de la aplicación de las
características del rayo Láser permiten reducir costos de medición y tener mayores
aplicaciones en la industria.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Lo excitante del uso de la tecnología láser [1] combinada con los sistemas
inteligentes de video [14] es que nos ha permitido integrar fotones [10] que permiten a
los sensores [11] de cámaras poder atravesar objetos sin que la imagen sea bloqueada.
Utilizamos los sensores [11] de las cámaras normalmente CCD y CMOS para
poder ver una escena y hemos integrado esta imagen con otra generada por rayo Láser [1]
lo cual en conjunto tenemos una imagen integrada.
Esto se realiza con un pulso de láser disparado en dirección a la pared [1] que oculta el
objetivo, mismo que golpea la superficie y se dispersa en múltiples fotones, algunos de
los cuales son captados por sensores [11] especiales de la cámara que con cálculos
sumamente específicos, sobre todo de distancia, reconstruyen la forma de aquello que se
encuentra detrás de la superficie.
Así también hemos integrado ondas electromagnéticas [2] que permiten poder
observar a través de paredes. Las imágenes, que se asemejan según se informa a las
producidas por ultrasonidos, son de relativamente alta resolución y se producen en
tiempo real.
Otra integración a la cámara es la medición cardiaca [6] de las personas vía Láser
lo cual permiten detectar la alteración de un individuo [8] ante un hecho ilícito antes o
después de que ocurra el evento.
Algunas de las tendencias de investigación más atractivas de la nanomedicina [9]
están relacionadas con el uso de sistemas ultra rápidos y autónomos. Se han realizado
numerosos trabajos asociados con nuevos materiales para el desarrollo de nuevos
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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INTRODUCCIÓN
sensores y técnicas con el fin de obtener información para la predicción y diagnóstico de
las condiciones vitales. Se han conseguido funciones biomédicas orientadas a
aplicaciones terapéuticas.
La frecuencia respiratoria de un ser se define como las veces que éste inhala y
exhala oxígeno (ciclo de respiración: se contraen y se expanden los pulmones) por unidad
de tiempo, normalmente en respiraciones por minuto.
Esto se realizo por medio de un sensor nanoestructurado [9] ultra rápido basado
en nanopartículas de oro con aplicaciones potenciales en la nanomedicina.
Para la implementación del sensor ultrarrápido se requiere una mezcla con varios rayos
láser con alta intensidad para el desarrollo de un sistema completo de detección óptica en
función de la interacción láser.
Técnicas interferométricas o de transmitancia por efecto óptico Kerr permiten la
modulación de las señales en forma simple.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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INTRODUCCIÓN
Este sistema toma la decisión de vigilar al fotón [10] sólo después de que éste
haya tomado un camino, el otro, o ambos a la vez. El fotón se manifiesta como una onda
cuando se ha decidido observar un comportamiento ondulatorio y que se comporta como
una partícula cuando se ha decidido observar un comportamiento corpuscular.
Un cambio en la reflexión dada por la oscilación mecánica asociada con la
respiración [9] hace que la integración origine varios cambios en la interferencia de las
ondas dentro de la muestra. De la superposición de las ondas en el arreglo es posible
producir en una señal casi instantánea con la información de la oscilación mecánica
implícita.
Se estima que este sistema podría ser útil en aplicaciones para sistemas de
instrumentación de señales ópticas.
Con esto es posible medir situaciones cardiacas [8] que permitirán detectar la alteración
de un individuo ante un hecho ilícito por ejemplo por medio de Los procedimientos
diagnósticos por imágenes de medicina nuclear [6].
Con esta integración logramos detectar ilícitos [13] y detectar al delincuente antes
de que realice una agresión o robo, lo cual sería un nuevo sistema de análisis inteligente
de video [14], que generara reducir costos por delincuencia hasta en un 50% [15].
En el Capítulo 1, se presenta una descripción de las bases técnicas y matemáticas
sobre el comportamiento de las ondas electromagnéticas utilizando las Leyes de
Inducción de Faraday la cual manifiesta el comportamiento de un flujo magnético
variable en el tiempo cuando pasa a través de un circuito conductor; la Ley de Gauss
Magnética en la que indica que siempre existe una relación de polos magnéticos y no de
forma aislada; la Ley Circuital de Ampere en donde indica que cuando la carga varía, el
campo eléctrico cambia la cual es llamado densidad de corriente de desplazamiento; Las
Ecuaciones de Maxwell en donde se comprueba la relación de campos eléctricos y
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
14
INTRODUCCIÓN
magnéticos; La luz en la materia que dirige el comportamiento en los materiales
dieléctricos o no conductores así como la propagación en los mismos y por último La
Irradiancia que explica la transportación de energía en una onda electromagnética.
En el Capítulo 2, incluye aquellos avances que se tienen en sistemas de detección
para sistemas de videovigilancia en donde son utilizados sensores propios en las cámaras
de seguridad junto con aplicaciones de software.
En el Capítulo 3, se da una descripción de las propiedades del Rayo Láser cuando
este es proyectado sobre una superficie y el tipo de reflexión que ocurre, así como el
modelado de los experimentos a cubrir junto con el método de Monte Carlo.
En el Capítulo 4, Se presenta el modelado de los experimentos usando el
interferómetro de división de Frente y el interferómetro Mach-Zehner para la obtención
de variación de resultados utilizando un sensor de medición.
En el Capítulo 5 se presenta la propuesta de integración de este diseño de
detección de movimiento
en un sistema de vigilancia en donde sea detectado
movimiento y la generación de alarmas específicas.
Al final de este trabajo se presentan las conclusiones que se obtuvieron de esta
investigación y se proponen algunos trabajos futuros.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
15
ESTADO DEL ARTE
ESTADO DEL ARTE
Desde tiempos antiguos el hombre ha buscado el poder vigilar su exterior que le
rodea de tal forma que pueda encontrar seguridad de vida. La evolución de los sistemas
de videovigilancia nace desde la fotografía por sí misma hasta nuestros días con los
sistemas de vigilancia más significativos.
En
1880
se
comercializaron
diversas cámaras; muchas de ellas eran
novedades o curiosidades diseñadas para
expresar la pericia del fabricante. Las
disfrazadas de bastones, relojes, libros y
otros pequeños objetos se conocían
como "cámaras de detective", porque en
1881 se hicieron dos de ellas para la
vigilancia policial.
Durante varias décadas todas las
cámaras
pequeñas
se
llamaron
de
"detective", hasta el cambio de siglo
cuando
el
nombre
más
frecuentemente
asociado
a
ellas
era
"Kodak".
Aunque producida masivamente, la kodak era una buena cámara de precisión que
incorporaba características únicas. En 1889 se introdujo la primera cámara con rollo de
celuloide,
olvidándose
rápidamente
la
base
de
papel
antes
usada.
En 1888 George Eastman lanzó la cámara "Usted aprieta el botón, nosotros
hacemos lo demás": la famosa Kodak. Esto marcó el comienzo de Eastman Kodak.
Eastman escogió el nombre Kodak para que pudiese pronunciarse fácilmente en todo el
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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ESTADO DEL ARTE
mundo. La cámara reunía todas las cualidades necesarias para la producción masiva y el
atractivo popular.
Era ligera, compacta y el fotógrafo no tenía que revelar las fotos. Por vez primera
una cámara podía cargarse con película en rollo, de la que se desplegaba el papel que
actuaba como base para la emulsión en el momento de copiar, y que valía para cien
exposiciones. La cámara se devolvía al fabricante, que revelaba la película y transfería
cada negativo a una placa de vidrio para la copia por contacto. A continuación se volvía a
cargar la cámara y se enviaba a su propietario junto con las copias de la película anterior.
Al principio de este siglo, cualquiera era un fotógrafo en potencia. Kodak satisfacía la
demanda de cámaras baratas, siguiendo a su primer éxito de la "Brownie" en 1900, y la
―cámara de fuelle plegable‖ en 1903.
El creador de la Kodak. George Eastman, inventor de la famosa cámara Kodak de
cajón. Eastman ideó la palabra ―Kodak‖ para que pudiese recordarse fácilmente y usarse
en casi cualquier lenguaje. También fue el pionero de la película el rollo con fondo de
papel y emulsión de gelatina – bromuro que se colocaba dentro de la cámara. A la
izquierda está G. Eastman con una de las primeras cámaras, fotografiado en un viaje a
Europa alrededor de 1890.
A continuación Algunas de las imágenes más relevantes en historia de la fotografía:
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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ESTADO DEL ARTE
Primera
foto
en
color,
James
Clerk
Maxwell,
Tartan
Ribbon
(1861)
Primera foto impresa en un diario, Steinway Hall (1873). New York‘s The Daily Graphic.
Ganador del premio Pulitzer.
La foto más famosa de la guerra civil española, Robert
Capa - Death of a Loyalist Soldier (1936)
Un nuevo proceso para el color: El Autocromo, Edward
Steichen-The Pond-Moonlight (1904)
Experimentaciones con la fotografía. Dadaismo y
Surrealismo, Man Ray - Solarization (1929)
Hay ojos por todas partes, y que no pertenecen a los seres humanos. En la
actualidad el acelerado mundo moderno, la vigilancia de vídeo se ha convertido en
esencial para la sociedad como guardias de seguridad y puertas de enlace. Mención de
vigilancia por vídeo y el Joe medio instantáneamente asocian el término con cámaras de
video montadas en los bancos y los
grandes almacenes o cintas de
vídeo
de
un
cónyuge
errante
marcada como Prueba A en un
procedimiento
de
divorcio
complicado.
La historia de la videovigilancia es
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
18
ESTADO DEL ARTE
tan compleja como el sistema de detrás de él. De hecho, se remonta mucho más lejos en
el tiempo que la mayoría de nosotros nos damos cuenta. Informes de prensa indican que
ya en 1965, Estados Unidos de la policía han estado usando de vigilancia por vídeo en
lugares públicos. En 1969, las cámaras de la policía había sido montado en áreas
estratégicas de la ciudad de Nueva York Edificio Municipal. Esto sentaría un precedente
fuerte, y no pasó mucho tiempo antes de la práctica se extendió a otras ciudades y los
agentes de policía vigilaban de cerca en áreas clave, con el uso de CCTV o circuito
cerrado de televisión, sistemas.
Las cintas de cassette de vídeo son en gran parte responsable de popularizar la
video vigilancia. La tecnología analógica utilizada en la grabación de cintas de vídeo dio
los tomadores de decisiones una innovadora idea: es posible preservar las pruebas en la
cinta.
En
1975,
Inglaterra,
instalado
sistemas de vigilancia de vídeo en cuatro
de sus principales estaciones de tren
subterráneo. Al mismo tiempo, también
comenzó a vigilar el flujo de tráfico en las
carreteras principales. Los Estados Unidos
hicieron lo mismo durante la
década de 1980, y aunque no había sido tan rápido
como el de Inglaterra en la utilización de la
videovigilancia, que hizo recuperar el tiempo perdido
por mucho la institución de sistemas de video
vigilancia en las zonas públicas.
Un inconveniente de la tecnología analógica es que
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
19
ESTADO DEL ARTE
los usuarios tenían que cambiar las cintas al día. Esto se solucionó en la década de 1990,
con la introducción de la multiplexación digital. Unidades de multiplexor digital había
características como lapso de tiempo y el movimiento de sólo grabación, que guarda una
gran cantidad de espacio de cinta. Además, permitió que las grabaciones simultáneas en
varias cámaras.
El próximo avance, la digitalización, destacada capacidad de compresión y de bajo
costo, lo que permite a los usuarios grabar un valor de un mes de la vigilancia de vídeos
en el disco duro. Además, las imágenes grabadas digitalmente son más claras y permitir
la manipulación de imágenes para mejorar la claridad.
Los acontecimientos del 11 de septiembre 2001 cambió la percepción del público
de la vigilancia de vídeo. Los desarrolladores de software crear programas que aumenten
la vigilancia por videocámara. Los programas de reconocimiento facial es uno de estos
programas. Uso de los puntos clave de las características faciales, se registran las caras en
comparación
con
las
fotografías
de
los
terroristas
y
delincuentes.
En mayo de 2002, el software de reconocimiento facial se ha instalado en las
cámaras de vigilancia de vídeo por ordenador en la Isla Ellis y la Estatua de la Libertad.
Ese mismo año, SmartGate se instaló en el Aeropuerto Internacional de Sydney en
Australia. SmartGate es un sistema de cruce fronterizo automatizado para los miembros
de la tripulación aérea. El sistema
escanea las caras de los tripulantes,
compara estas fotos para pasaporte, y
confirma la identidad en menos de diez
segundos.
En diciembre de 2003, el Royal Palm
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
20
ESTADO DEL ARTE
Medio School en Phoenix, Arizona instalado el reconocimiento de la cara de vigilancia
de vídeo. Este es un programa piloto para el registro de delincuentes sexuales y el
seguimiento de los niños desaparecidos.
Para todos estos acontecimientos, la Internet es la cereza encima. Revolucionó la
vigilancia de vídeo, eliminando todos los impedimentos para la visualización y control en
cualquier parte del mundo.
Evidentemente, la humanidad ha creado medios mejores y más refinados para la
vigilancia de vídeo. Los sistemas de vigilancia más pequeñas, más elegante y más potente
de vídeo vienen en el mercado de casi todos los meses. Rebotar señales de satélites de
todo el mundo. Hay, en efecto, los ojos en todas partes, y varios de ellos están en el cielo.
Videovigilancia IP es una tecnología de vigilancia visual que combina los
beneficios analógicos de los tradicionales CCTV (Circuito Cerrado de Televisión) con
las ventajas digitales de las redes de comunicación IP (Internet Protocol), permitiendo la
supervisión local y/o remota de imágenes y audio así como el tratamiento digital de las
imágenes, para aplicaciones como el reconocimiento de matriculas o reconocimiento
facial entre otras.
El despliegue resulta más sencillo y económico que un CCTV, puesto que
aprovecha la red informática empresarial, es decir, el mismo cableado que se emplea para
la comunicación de datos, acceso a
Internet o correo electrónico, sin
necesidad
de
desplegar
una
infraestructura de cableado coaxial
específica para nuestra red de
videovigilancia. La mayoría de las
instalaciones más modernas están
abandonando la tecnología analógica en favor de la videovigilancia IP, dada su
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
21
ESTADO DEL ARTE
versatilidad, funcionalidad, sencillez y optimización de las infraestructuras existentes en
la compañía.
Entre los avances más destacados de
los últimos años, además de las capacidades
inalámbricas que eliminan, incluso, el
tendido de cables, se encuentran la alta
resolución de imagen que ofrecen las
cámaras megapixel (1,3 megapíxeles…), la
inclusión de sistemas de inteligencia para el
tratamiento de video y gestión de eventos o
contadores digitales. Es posible capturar
vídeo y almacenarlo a pocos frames por segundo o activar la grabación solo en
determinadas circunstancias ya sea por la detección de movimientos en una zona
determinada o por franjas horarias.
A la mejora de la resolución le acompañan elevadas tasas de compresión para
evitar altos consumos de ancho de banda y espacio de almacenamiento, con estándares
como H.264, que simplifican significativamente el almacenamiento en los NVR (Network
Video Recorders) o servidores de
vídeo respecto a otros formatos como
vídeo Motion JPEG, MPEG-4. Estos
avances tecnológicos han propiciado
que consultoras como IP Video
Market,
en
Surveillance
su
informe
Market
‗Video
Size
and
Forecast Guide 2010‘, estimen que el
mercado de la videovigilancia IP
superará al de CCTV (analógico) entre 2010 y 2012, con un crecimiento de un 200%.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
22
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN
6
OBJETIVOS
8
JUSTIFICACIÓN
9
INTRODUCCIÓN
12
ESTADO DEL ARTE
16
ÍNDICE GENERAL
23
ÍNDICE DE FIGURAS
26
ÍNDICE DE TABLAS
28
CAPÍTULO 1
LEYES BASICAS DE LA TEORIA ELECTROMAGNETICA
1.1
Ley de Inducción de Faraday (31)
1.2
Ley de Gauss Magnética (34)
1.3
Ley Circuital de Ampere (35)
1.4
Ecuaciones de Maxwell (38)
1.5
Ondas Electromagnéticas (39)
1.6
Ondas Transversales (42)
1.7
La luz en la materia (46)
1.8
Propagación de la Luz a través de un Medio Dieléctrico(48)
1.9
Irradiancia(51)
1.10 Deducción de las ecuaciones de Fresnel(58)
CAPÍTULO 2
SISTEMAS DE DETECCION DE MOVIMIENTO
2.1
Sensores y detectores de seguridad
(62)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
23
ÍNDICE GENERAL
2.2
Cámaras de seguridad(62)
2.3
Detector de humo y/o de incendio(63)
2.4
Sensores de Movimiento o vibración(65)
2.5
Detector de apertura de puertas y ventanas(66)
2.6
Sistemas de alarma(66)
2.7
Control de accesos(67)
2.8
Credenciales(67)
2.9
Código de seguridad(68)
1.10 Sistemas Biométricos(69)
2.11 Interfaz visual con el usuario)69)
2.12 Estructuración Política de niveles de seguridad(70)
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICA DE REFLEXIÓN DEL RAYO LÁSER PARA
DISEÑO DE EXPERIMENTO
3.1
Incidencia de Rayo Láser sobre superficies(77)
3.2
Modelos de reflexión de luz en superficies rugosas(78)
3.3
Óptica geométrica(79)
3.4
Modelación de esparcimiento de un haz láser.(80)
3.5
Experimentos previos (81)
3.6
Implementación(84)
CAPÍTULO 4
DISEÑO DE EXPERIMENTO
4.1
Diseño de experimento(87)
4.2
Resultados de Experimento(89)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO 5
COMPROBACIÓN MATEMÁTICA, ANÁLISIS DE RESULTADOS,
APLICACIÓN Y CONCLUSIONES.
5.1
Comprobación Matemática(94)
5.2
Análisis de resultados(96)
5.3
Aplicaciones(97)
5.4
Conclusiones(98)
TRABAJOS FUTUROS (99)
REFERENCIAS (103)
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ÍNDICE DE FIGURAS
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
Figura 1.1
El campo B a través de un área abierta A.(31)
Figura 1.2 El campo B variable en el tiempo. Al rodear los puntos donde
cambia, el campo E forma circuitos cerrados.(32)
Figura 1.3 El campo E a través de un área cerrada A(35)
FIGURA 1.4.- Densidad de corriente a través de un área abierta A.(36)
FIGURA 1.5.- a) Según la Ley de Ampere no es importante saber a que
área A1 o A2(37)
FIGURA 1.6.- El campo E variable en el tiempo. Al rodear los punto
donde
cambia, el campo E forma circuitos cerrados.(38)
FIGURA 1.7.- Configuración del campo en una onda plana
electromagnética armónica plana.(43)
FIGURA 1.8.- Campos E y B armónicos ortogonales de una onda plana
polarizada.(45)
FIGURA 1.9.- Parte de un frente de onda esférico lejos de la fuente.(46)
FIGURA 1.10 Una onda primaria (a) y dos ondas secundarias
posibles.(50)
FIGURA 1.11.- El flujo de Energía Electromagnética(53)
FIGURA 1.12.- Ley del inverso del cuadrado(57)
CAPÍTULO 3
Figura 3.1. Criterio de interferencia de Rayleigh(77)
Figura 3.2. Definición de la normal local sobre la superficie f(R)(77)
Figura 3.3. Efectos de esparcimiento de un haz de luz. Rayo a: reflexión
simple.(78)
Figura 3.4. Parámetros experimentales del arreglo óptico(78)
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Figura 3.2.1. Perfil de textura de la superficie del patrón de rugosidad; en
el recuadro se muestra su correspondiente FDA de las pendientes.(79)
Figura 3.2.2.. Gráficas de intensidad del patrón de esparcimiento de luz
registrado en una pantalla plana (recuadro), utilizando el arreglo
experimental de la figura 4. Se indica el ángulo θ.(82)
Figura 3.2.3. Resultados del modelo numérico de esparcimiento de luz
láser sobre el patrón de rugosidad correspondientes a las condiciones
experimentales.(83)
Figura 3.2.4. Perfil de la textura de la superficie del disco y la
correspondiente FDA de pendientes, antes (a) y después del desgaste (b).
La altura Z del perfil se da en μm.(84)
Figura 3.6.1. Rayo Láser Incidiendo en una superficie rugosa(84)
Figura 3.6.2. Rayo Láser Incidiendo en una superficie de espejo(85)
Figura 3.6.3.. Sistema de detección con rayo Láser reflejado(85)
CAPÍTULO 4
Figura 4.1.- El interferómetro de Mach-Zehnder(87)
Figura 4.2.- Interferómetro de Mach-Zehnder(88)
4.2.1.- Diseño en maqueta de un circuito cerrado que pueden ser pasillos
de oficinas.(89)
Figura 4.2.2.- Colocación de un sensor de medición a las intensidades de
Luz del Rayo Láser(89)
Figura 4.2.3.- Identificación de 12 áreas para realizar mediciones.(90)
Figura 4.2.4.- Conexión de fuente de alimentación al sensor y conexión de
multímetro para medición.(90)
4.2.5.- Verificación del circuito cerrado con Rayo Láser(91)
Figura 4.2.6..- Interrupción de cada una de las áreas para toma de
lecturas.(91)
Figura 4.2.7.- Toma de lecturas en cada una de las áreas.(92)
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CAPÍTULO 5
Figura 5.1.- Gráfica de coeficiente de reflexión para transmitacia y
reflectancia.(94)
Figura 5.2.- Comportamiento de Láser a través del vidrio a 45°.(94)
Figura 4.6.- Comportamiento de Láser en un circuito cerrado con vidrios y
espejo colocados a 45°.(95)
Figura 5.2.1 .- Modelo de experimento(96)
Figura 5.5.1 .- Experimento de Young(100)
Figura5.5.2..- Aplicación de experimento(102)
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 1
TABLA 1.- Relación de Maxwell. (Los valores de
corresponden a las
frecuencias más bajas posibles, en algunos casos tan bajas como 60 Hz,
mientras que n está medida a alrededor de
sodio
. Se usó luz D del
).(48)
CAPÍTULO 4
Tabla 2.- Registro de lecturas en milivolts.(92)
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CAPÍTULO 1
1
Leyes Básicas de la Teoría
Electromagnética
Se presenta una descripción de
las
bases
técnicas
y
matemáticas
sobre
el
comportamiento de las ondas
electromagnéticas utilizando
las Leyes de Inducción de
Faraday, la Ley de Gauss
Magnética, la Ley Circuital de
Ampere y Las Ecuaciones de
Maxwell.
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CAPÍTULO 1
Capítulo 1
Leyes Básicas de la Teoría Electromagnética
Se sabe por experimentos que las cargas, aunque estén separadas en el espacio,
experimenta una interacción mutua. Como una posible explicación se podría especular
que cada carga emite (y absorbe) un flujo de partículas indetectables (fotones virtuales).
El flujo de estas partículas entre las cargas se puede considerar como una forma de
interacción. Alternativamente, se puede tomar el punto de vista clásico e imaginar que
cada carga está rodeada de algo llamado un campo eléctrico. Entonces se necesita
suponer solamente que cada carga interacciona directamente con el campo eléctrico en el
que está sumergido. Entonces, si una carga q experimenta una fuerza
eléctrico
en la posición de la carga está definido por
, el campo
. Además se observa que
una carga móvil puede experimentar otra fuerza
la cual es proporcional a su
velocidad . Entonces se tiene que definir aún otro campo, a saber la inducción
magnética , tal que
. Si ambas fuerzas
y
ocurren simultáneamente se
dice que la carga se mueve a través de una región ocupada tanto por campos eléctricos
como magnéticos donde
.
Hay otras varias observaciones que se pueden interpretar en términos de estos
campos y al hacerlo así se puede obtener una mejor idea de las propiedades físicas que se
deben atribuir a
ya
. Como se verá, los campos eléctricos son generados tanto por
cargas eléctricas como por campos magnéticos variables con el tiempo. Similarmente, los
campos magnéticos son generados por corrientes eléctricas y por campos eléctricos
variables en el tiempo. Esta interdependencia de
y de
es el punto clave en la
descripción de la luz y su elaboración.
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CAPÍTULO 1
1.1 Ley de Inducción de Faraday
Michael Faraday hizo numerosas e importantes contribuciones a la teoría
electromagnética. Una de las más significativas fue su descubrimiento de que un flujo
magnético variable en el tiempo, pasando a través de un circuito conductor cerrado, da
como resultado la generación de una corriente alrededor de ese circuito. El flujo de la
inducción magnética (o densidad de flujo magnético ) a través de un área abierta
A, limitada por el circuito conductor está dado por:
(1.1)
La fuerza electromotriz inducida o f.e.m. producida alrededor del circuito es
entonces:
(1.2)
Sin embargo, no debe comprometerse demasiado con la imagen de alambres,
corriente y f.e.m. El interés presente son los campos eléctricos y magnéticos mismos.
FIGURA 1.1.- El campo B a través de un área abierta A.
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CAPÍTULO 1
En efecto, la f.e.m. existe solamente como un resultado de la presencia de un
campo eléctrico dado por:
(1.3)
tomada alrededor de la curva cerrada C, que corresponde al circuito. Igualando las
ecuaciones (1.2) y (1.3) y haciendo uso de la ecuación (1.1) se obtiene:
(1.4)
Se comenzó esta discusión examinando un circuito conductor y se ha llegado a la
ecuación
(1.4); esta expresión, excepto por la trayectoria C, no tiene referencia al
circuito físico. En efecto, la trayectoria se puede escoger muy arbitrariamente y no
necesita estar dentro, o cerca de ningún conductor. El campo eléctrico en la ecuación
(1.4) no aparece directamente por la presencia de cargas eléctricas sino del campo
magnético variable con el tiempo. Sin cargas que actúen como fuentes o sumideros, las
líneas de campo se cierran, formando circuitos.
FIGURA 2.- El campo B variable en el tiempo. Al rodear los puntos donde
cambia, el campo E forma
circuitos cerrados.
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CAPÍTULO 1
Para el caso en el cual la trayectoria está fija en el espacio y sin cambiar de forma,
la ley de inducción (1.4) se puede reescribir como:
(1.5)
.
Esta, es en sí misma una expresión bastante fascinante ya que indica que el campo
magnético variable en el tiempo tendrá un campo eléctrico asociado con él.
Otra de las leyes fundamentales del electromagnetismo recibe su nombre del
matemático alemán Karl Friedrich Gauss (1777-1855). Ella relaciona el flujo de la
intensidad de campo eléctrico a través de una superficie cerrada A:
(1.6)
con la carga total encerrada. La integral doble lleva un círculo como recordatorio de que
la superficie está cerrada. El vector
está en la dirección de una normal hacia afuera. Si
el volumen encerrado por A es V, y si dentro de ella hay una distribución continua de
carga ρ, la ley de Gauss es entonces:
(1.7)
La integral a la izquierda es la diferencia entre la cantidad de flujo hacia adentro y
hacia afuera de cualquier superficie cerrada A. Si hay una diferencia, será debida a la
presencia de fuentes o sumideros del campo eléctrico dentro de A. Claramente entonces,
la integral debe ser proporcional a la carga total encerrada. La constante
se conoce
como la permitividad eléctrica del medio. Para el caso especial del vacío, la permitividad
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33
CAPÍTULO 1
del espacio libre está dada por
material se puede expresar en términos de
. La permitividad de un
como:
(1.8)
donde
, la constante dieléctrica (o permitividad relativa), es una cantidad sin
dimensiones, y es la misma para todos los sistemas de unidades. El interés en
anticipa
el hecho de que la permitividad está relacionada con la velocidad de la luz en materiales
dieléctricos, como vidrio, cuarzo, etc.
1.2 Ley de Gauss Magnética
No se conoce una contraparte magnética de la carga eléctrica, es decir, nunca se
han encontrado de manera aislada polos magnéticos, aunque se hayan observado
ampliamente incluso en muestras del suelo lunar. A diferencia del campo eléctrico, la
inducción magnética
no diverge o converge hacia alguna clase de carga magnética
(una fuerza monopolar o una caída). Los campos de inducción magnética se pueden
describir en función de distribución de corrientes. Realmente, se puede considerar un
magneto elemental como si fuera una pequeña corriente circular donde las líneas de
son continuas y cerradas. Cualquier superficie cerrada en una región de campo magnético
podría tener entonces un número igual de líneas de
entrando y saliendo de ésta. Esta
situación se produce por la ausencia de monopolos en el volumen cerrado. El flujo de
inducción magnética
a través de dicha superficie es cero; se tiene entonces el
equivalente magnético de la ley de Gauss:
Superficie
(1.9)
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CAPÍTULO 1
FIGURA 1. 3.- El campo E a través de un área cerrada A.
1.3 Ley Circuital de Ampere
Otra ecuación que sería de gran interés se debe a André Marie Ampére (1775-1836). Se
conoce como la ley circuital y relaciona una línea integral de
tangente a una curva
cerrada C , con la corriente total i que pasa dentro de los confines de C :
(1.10)
La superficie abierta A está limitada por C, y J es la corriente por unidad de área. La
cantidad µ se llama la permeabilidad del medio particular. Para el vacío
(la permeabilidad del espacio libre), que se define como
.
Como en la ecuación (1.8):
(1.11)
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35
CAPÍTULO 1
Donde Km es la permeabilidad relativa sin dimensiones. La ecuación (1.10), aunque a
menudo es adecuada, no es la verdad completa. Las cargas móviles no son la única fuente
del campo magnético.
FIGURA 1.4.- Densidad de corriente a través de un área abierta A.
Esto se evidencia por el hecho de que mientras se está cargando o descargando un
condensador, se puede medir un campo
en la región entre sus placas. Este campo es
indistinguible del que rodea los alambres aun cuando ninguna corriente en realidad
atraviesa el condensador. Obsérvese, sin embargo, que si A es el área de cada placa y Q
la carga en ella:
Cuando la carga varía, el campo eléctrico cambia y:
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36
CAPÍTULO 1
es efectivamente una densidad de corriente. James C. Maxwell supuso la existencia de tal
mecanismo, al que llamó densidad de corriente de desplazamiento, definida por:
(1.12)
La reformulación de la ley de Ampere, como:
(1.13)
fue una de las contribuciones más grandes de Maxwell. Aclara que aun cuando
campo
variable en el tiempo estaría acompañado por un campo
, un
.
FIGURA 1.5.- a) Según la Ley de Ampere no es importante saber a que área A1 o A2 están unidas a través
del camino C. Sin embargo, una corriente pasa a través de A1 y no de A2 lo cual indica que algo no cuadra
en absoluto. b) El campo B concomitante con el campo E variable en el tiempo en el hueco de un
condensador.
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37
CAPÍTULO 1
1.4 Ecuaciones de Maxwell
El conjunto de expresiones integrales dadas por las ecuaciones (1.5), (1.7),(1.9) y
(1.13) han llegado a conocerse como las ecuaciones de Maxwell. Recuérdese que estas
son generalizaciones de resultados experimentales. Esta formulación muy simple de las
ecuaciones de Maxwell gobierna el comportamiento de los campos eléctricos y
magnéticos en el espacio libre donde
,
y ambas
y
son cero. En este
caso:
(1.14)
(1.15)
(1.16)
(1.17)
Obsérvese que excepto por un escalar multiplicativo, los campos eléctricos y
magnéticos aparecen en las ecuaciones con una simetríıa notable.
FIGURA 1.6.- El campo E variable en el tiempo. Al rodear los punto donde
cambia, el campo E forma
circuitos cerrados.
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38
CAPÍTULO 1
1.5 Ondas Electromagnéticas
Tres observaciones, a partir de las cuales se puede construir un modelo cualitativo,
son fácilmente aprovechables y estas son la perpendicularidad general de los campos, la
simetría de las ecuaciones de Maxwell, y de la interdependencia de
y
en esas
ecuaciones.
De interés inmediato es el hecho de que un campo
genera un campo
, variable en el tiempo,
que es en todas partes perpendicular a la dirección en la que
cambia. En la misma forma, un campo
variable con el tiempo genera un campo
que es perpendicular en todas partes a la dirección en la que
cambia. Se podría, por lo
tanto, anticipar la naturaleza transversal general de los campos
y
en una
perturbación electromagnética.
Los campos
y
pueden, más apropiadamente, considerarse como dos aspectos
de un sólo fenómeno físico, el campo electromagnético, cuya fuente es una carga en
movimiento. La perturbación, una vez que ha sido generada en el campo
electromagnético, es una onda sin atadura que se mueve más allá de su fuente e
independientemente de ella. Ligados uno a otro como una sola unidad, los campos
magnéticos y eléctricos variables en el tiempo se regeneran uno a otro en un ciclo sin fin.
Las ondas electromagnéticas que llegan a la tierra del relativamente cercano centro de la
galaxia han estado volando durante treinta mil años. No se ha considerado aún la
dirección de propagación de la onda con respecto a los campos que la constituyen.
Obsérvese, sin embargo, que el alto grado de simetría en las ecuaciones de Maxwell para
el espacio libre sugiere que la perturbación se propagará en una dirección que es
simétrica tanto a
como a
. Eso implicaría que una onda electromagnética no podría
ser puramente longitudinal (ya que
y
no son paralelos).
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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39
CAPÍTULO 1
Las ecuaciones de Maxwell para el espacio libre se pueden transformar en dos
expresiones vectoriales extremadamente concisas:
El Laplaciano
, opera sobre cada componente de
y
de manera que las dos
ecuaciones vectoriales en realidad representa un total de seis ecuaciones escalares. Dos
de estas expresiones, en coordenadas cartesianas son:
(1.18)
(1.19)
precisamente con la misma forma para
,
,
y
. Ecuaciones de este tipo, que
relacionan las variaciones de espacio y tiempo de alguna cantidad física, se estudiaron
hace ya mucho por Maxwell y sirvieron para describir el fenómeno de onda. Cada
componente del campo electromagnético (
,
,
,
,
,
) obedece, por lo tanto, a la
ecuación diferencial escalar de onda:
a condición que:
.
(1.20)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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40
CAPÍTULO 1
A fin de evaluar
Maxwell hizo uso de los resultados de los experimentos
eléctricos efectuados en 1856 en Leipzig por Wilhelm Weber (1804-1891) y Rudolph
Kohlrausch (1809-1858). De modo equivalente, ya que a
MKS) uno puede determinar
se le asigno un valor de (en
directamente de medidas simples de capacidad.
En cualquier caso:
o
.
Y ahora, el momento de la verdad: en el espacio libre, la velocidad predicha de
todas las ondas electromagnéticas sería:
.
Este valor teórico estaba en notable acuerdo con la velocidad previamente medida
de la luz (315300 km/s) determinada por Fizeau. Los resultados de los experimentos de
Fizeau, desarrollados en 1849 usando una rueda dentada rotatoria, estaban en manos de
Maxwell y le hicieron comentar que:
Esta velocidad [es decir, su predicción teórica] está tan cerca de la luz que parece
que tenemos una fuerte razón para concluir que la luz en sí misma (incluyendo calor
radiante, y otras radiaciones si las hay) es una perturbación electromagnética en la forma
de ondas propagadas a través del campo electromagnético de acuerdo con las leyes
electromagnéticas.
Se ha hecho costumbre designar la velocidad de la luz en el vacío por el símbolo
c, cuyo valor por ahora aceptado es:
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41
CAPÍTULO 1
1.6 Ondas Transversales
El carácter transversal de la luz, verificado experimentalmente, se debe ahora
explicar dentro del contexto de la teoría electromagnética. Con ese fin, se considerará el
caso bastante simple de una onda plana propagándose en la dirección positiva de x. La
intensidad de campo eléctrico es una solución de la ecuación diferencial
Donde
es constante sobre cada uno de un conjunto infinito de planos
perpendiculares al eje x. Es, por consiguiente, una función solamente de x y t, es decir
. Volviendo a las ecuaciones de Maxwell y en particular a la ecuación (1.21)
(la cual generalmente se lee como la divergencia de
es igual a cero).Ya que
no es
una función ni de y ni de z, la ecuación se reduce a:
(1.21)
La componente del campo eléctrico en la dirección de x, es decir, en la dirección
de propagación, es constante. Esto no es de importancia, ya que interesa solamente la
onda electromagnética, y no ningún campo no variable que puede residir en la misma
región del espacio. El campo , asociado con la onda plana es entonces exclusivamente
transversal. Sin pérdida de generalidad, se trabajará con ondas linealmente polarizadas u
ondas planas, donde la dirección de vibración del vector
es fija. Se puede entonces
orientar los ejes coordenados de tal forma que el campo eléctrico sea paralelo al eje y,
donde:
(1.22)
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42
CAPÍTULO 1
Volviendo a la ecuación (1.18), se deduce que:
(1.23)
y que
y
son constantes, y por consiguiente sin interés por el momento. El campo
dependiente del tiempo solamente puede tener una componente en la dirección de z.
Es claro entonces que en el espacio libre, la onda electromagnética plana es, en efecto,
transversal
.No se ha especificado la forma de la perturbación y solamente se ha dicho que era una
onda plana. Las conclusiones son por consiguiente muy generales, aplicándose
igualmente bien a pulso como a ondas continuas. Ya se ha dicho que las funciones
armónicas son de particular interés porque cualquier forma de onda se puede expresar en
términos de ondas senoidales usando las técnicas de Fourier. Por consiguiente, se limitará
la discusión a ondas armónicas y se escribirá
como:
(1.24)
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43
CAPÍTULO 1
FIGURA 1.7.- Configuración del campo en una onda plana electromagnética armónica plana.
siendo c la rapidez de propagación. La densidad de flujo magnético asociado se puede
encontrar por integración directa de la ecuación (1.23), o sea:
Usando la ecuación (1.24) se obtiene:
o
(1.25)
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44
CAPÍTULO 1
Se ha omitido la constante de integración, que representa un campo independiente
del tiempo. Comparando este resultado con la ecuación (1.19), es evidente que:
(1.26)
Ya que
y
dependencia del tiempo,
difieren solamente por un escalar, tienen así la misma
y
están en fase en todos los puntos en el espacio. Además,
y
son mutuamente perpendiculares y su producto vectorial
, apunta en la dirección de propagación .
FIGURA 1.8.- Campos E y B armónicos ortogonales de una onda plana polarizada.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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45
CAPÍTULO 1
FIGURA 1.9.- Parte de un frente de onda esférico lejos de la fuente.
Las ondas planas, aunque tienen mucha importancia, no son las únicas soluciones
de las ecuaciones de Maxwell. La ecuación diferencial de onda permite muchas
soluciones, entre las cuales están las ondas esféricas y cilíndricas.
1.7 La luz en la materia
La respuesta de los materiales dieléctricos o no conductores a los campos
electromagnéticos es de especial interés en la óptica. Se manejarían dieléctricos
transparentes en la forma de lentes, prismas, láminas, películas, etc. Sin mencionar el
océano de aire que las rodea. El efecto neto de introducir un dieléctrico isotrópico
homogéneo en una región del espacio libre es cambiar
a
y
en las ecuaciones de
Maxwell. La velocidad de fase en el medio se hace ahora:
(1.27)
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46
CAPÍTULO 1
La razón entre las velocidades de una onda electromagnética en el vacío y en la
materia se conoce como índice de refracción absoluto n
y está dado por:
(1.28)
En términos de la permitividad relativa y la permeabilidad relativa del medio, n
queda:
(1.29)
La gran mayoría de las substancias, con la excepción de los materiales
ferromagnéticos, son sólo muy débilmente magnéticas; ninguna es realmente no
magnética. Aún así,
generalmente no se desvía de uno en más de unas pocas partes en
el diamante
. Poniendo
(por ejemplo para
en la fórmula para n resulta una
expresión conocida como la relación de Maxwell, o sea:
(1.30)
aquí se supone que
es la constante dieléctrica estática. Como se indica en la tabla, esta
relación parece ser efectiva solamente para algunos gases simples. La dificultad aparece
porque
, y por consiguiente n, son en realidad dependientes de la frecuencia. La
dependencia de n con la longitud de onda (o color) de la luz es un efecto muy conocido
llamado dispersión.
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47
CAPÍTULO 1
TABLA 1.- Relación de Maxwell. (Los valores de
corresponden a las frecuencias más bajas
posibles, en algunos casos tan bajas como 60 Hz, mientras que n está medida a alrededor de
. Se usó luz D del sodio
).
En efecto, Sir Isaac Newton usó prismas para dispersar la luz blanca en sus colores
constitutivos hace más de 300 años y el fenómeno era bien conocido aunque no se
entendiera entonces.
1.8 Propagación de la Luz através de un Medio Dieléctrico
El proceso mediante el cual la luz se propaga através de un medio con una
velocidad diferente de c es bastante complicado.
Considérese una onda electromagnética incidente o primaria (en el vacío)
incidiendo sobre un dieléctrico. Como se ha visto, ella polarizará el medio y llevará a los
osciladores electrónicos a vibración forzada. Ellas a su vez, reirradiarán o esparcirán
energía en la forma de pequeñas ondas electromagnéticas de la misma frecuencia de la
onda incidente. En una substancia cuyos átomos o moléculas están dispuestos con algún
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48
CAPÍTULO 1
grado de regularidad, estas ondas tenderán a interferirse mutuamente. Esto es, se
superpondrían en ciertas regiones donde ellas se reforzarán o reducirán unas a otras en
grados variables. Como ejemplo examínese la configuración muy simplificada de una
onda refractada en un arreglo ordenado de átomos. Ahí una onda plana incidente en dicho
arreglo se esparce en un patrón complicado de pequeñas ondas. Estas a su vez se
superponen para formar frentes de ondas planas a los que se denomina onda secundaria.
Por razones empíricas, solamente, se puede anticipar que la onda primaria residual y la
onda secundaria se combinarán para dar la única perturbación observada dentro del
medio, es decir la onda refractada.
Tanto la onda electromagnética primaria como la secundaria se propagan a través
de los espacios interatómicos con la velocidad c. Y aún así el medio ciertamente puede
poseer un índice de refracción diferente de uno. Puede suceder que la onda refractada
tenga una velocidad de fase menor, igual o a un mayor que c . La clave de esta aparente
contradicción reside en la relación de fase entre las ondas secundaria y primaria. El
modelo clásico predice que los osciladores electrónicos serían capaces de vibrar casi
completamente en fase con la fuerza impulsora, es decir la perturbación primaria,
solamente a frecuencias relativamente bajas. Cuando la frecuencia del campo
electromagnético aumenta, los osciladores se retrasarán, su fase estará retrasada por una
cantidad proporcionalmente grande. Un análisis detallado lleva al hecho de que en
resonancia el retraso de la fase llegaría a 90°, aumentando después a casi 180°, o media
longitud de onda, a frecuencias muy superiores al valor característico particular. Además
de estos retrasos hay otro efecto que debe ser considerado. Cuando las ondas esparcidas
se recombinan, la onda secundaria resultante está retrasada ella misma con respecto a los
osciladores en 90°. El efecto combinado de ambos de estos mecanismos es que a
frecuencias inferiores a la de la resonancia, la onda secundaria está retrasada con respecto
ala primaria en una cantidad entre 90° y 180° aproximadamente, mientras que a
frecuencias superiores a la de la resonancia el retraso está entre 180° y 270°.
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49
CAPÍTULO 1
FIGURA 1.10 Una onda primaria (a) y dos ondas
secundarias posibles. En (b) la secundaria se queda
atrás con respecto a la primaria – se tarda mas en en
alcanzar cualquier valor determinado - . En (c) la onda
secundaria alcanza cualquier valor determinado antes
que la primaria, es decir, la precede.
Pero un retraso de fase de
[ejemplo,
es equivalente a un retraso de
]. Para recapitular, debajo de la resonancia la onda
secundaria va atrás de la primaria; arriba de la resonancia va delante de la primaria. La
onda resultante o refractada acordemente estará adelante o detrás de la onda incidente
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50
CAPÍTULO 1
(espacio libre) en una cierta cantidad ε. El proceso es progresivo y a medida que la luz
atraviesa el medio la fase es continuamente retardada o avanzada. Ahora se desea mostrar
que esto es precisamente equivalente a un cambio en la velocidad de fase. En el espacio
libre la perturbación en algún punto P se puede escribir como:
Si P está rodeada por un dieléctrico, habría un desplazamiento acumulativo de la
fase
el cual fue formado mientras la onda se movía a través del medio hacia P . El
número de crestas de onda que llegan al dieléctrico por segundo debe ser el mismo que el
número por segundo que se propaga en él. Esto es, la frecuencia debe ser la misma en el
vacío que en el dieléctrico, aun cuando la longitud de onda y la rapidez pueden ser
diferentes. Una vez más, pero esta vez en el medio, la perturbación en P es:
Un observador en P tendría que esperar un tiempo mayor para que una cresta dada
llegue cuando él está en el medio que lo hubiera tenido que esperar en el vacío. En otras
palabras, si se imaginan dos ondas paralelas de la misma frecuencia, una en el vacío y
una en un medio material, la onda en el vacío pasará P un tiempo
antes que la otra onda. Entonces es claro que un retraso de fase de
a una reducción en la rapidez,
un aumento en la rapidez,
corresponde
.Similarmente, un adelanto de fase produce
y
. El proceso de esparcimiento es continuo y así
los desplazamientos acumulativos de fase se van sumando conforme la luz penetra en el
medio. Es decir, ε es una función de la longitud del dieléctrico atravesado; como debe ser
si
es constante.
1.9 Irradiancia
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
51
CAPÍTULO 1
Una de las propiedades más significativas de la onda electromagnética es que
transporta energía. La luz de la estrella más cercana viaja a 25 millones de millones de
millas para llegar a la Tierra y aún así lleva suficiente energía para hacer trabajo en los
electrones dentro del ojo. Cualquier campo electromagnético existe dentro de alguna
región del espacio y es por consiguiente muy natural considerar la energía radiante por
unidad de volumen, es decir la densidad de energía u. Para un campo eléctrico solo, se
puede calcular la densidad de energía (por ejemplo entre las placas de un condensador) y
obtener:
.
(1.31)
Similarmente, la densidad de energía del campo B solo (como se podría calcular
dentro de un toroide) es:
.
(1.32)
Recuérdese que se dedujo la relación
específicamente para una onda
plana (2.30), no obstante será muy general en su simplicidad. Se deduce entonces que:
(1.33)
El flujo de energía a través del espacio en la forma de una onda electromagnética
es compartido por los campos constitutivos, eléctricos y magnéticos. Ya que:
claramente:
(1.34)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
52
CAPÍTULO 1
o equivalentemente:
FIGURA 1.11.- El flujo de Energía Electromagnética
Para representar el flujo de energía electromagnética, se simbolizará con S el
transporte de energía por unidad de tiempo (la potencia) a través de un área unitaria. En
el sistema MKS tendría entonces las unidades de
. Sea una onda electromagnética
que viaja con una velocidad c a través de un área A. Durante un intervalo de tiempo ∆t
muy pequeño, solamente la energía contenida en el volumen cilíndrico, u (c∆tA), cruzará
A. Entonces:
(1.35)
o, usando la ecuación (1.33):
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
53
CAPÍTULO 1
(1.36)
Ahora se hace la suposición razonable (para medios isotrópicos) de que la energía
fluye en la dirección de la propagación de la onda. El vector
correspondiente es
entonces:
(1.37)
o
(1.38)
La magnitud de
normal es paralela a
es la potencia por unidad de área que cruza una superficie cuya
. Se le conoce como el vector de Poynting , en honor de John
Henry Poynting (1852-1914). Aplicando ahora estas consideraciones al caso de una onda
plana armónica, polarizada linealmente, viajando a través del espacio libre en la dirección
de
(1.39)
(1.40)
Usando la ecuación (1.40)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
54
CAPÍTULO 1
.
Debe ser evidente aquí que
ópticas,
oscila entre máximos y mínimos. A frecuencias
es una función variable del tiempo extremadamente rápida y así su valor
instantáneo es una cantidad impráctica de medir. Esto más bien sugiere que se empleen
promedios. Es decir, que se absorba la energía radiante durante un intervalo finito de
tiempo usando, por ejemplo, una fotocelda, una película fotográfica o la retina del ojo
humano. El valor promediado en el tiempo del vector de Poynting, simbolizado por
, es una medida de la cantidad muy significativa conocida como la irradiancia,
I .En este caso ya que
(1.41)
o
(1.42)
La irradiancia es por consiguiente proporcional al cuadrado de la amplitud del
campo eléctrico. Dos formas alternativas adicionales de decir la misma cosa son
simplemente:
(1.43)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
55
CAPÍTULO 1
y
(1.44)
Dentro de un dieléctrico isotrópico, homogéneo y lineal, la expresión para la
irradiancia queda:
(1.45)
Ya que, como se ha visto,
sobre las cargas ,
es considerablemente más afectiva al ejercer fuer-zas
será referido como el campo óptico y se usará casi exclusivamente
la ecuación (1.44).La rapidez de flujo de la energía radiante es la potencia o flujo
radiante, generalmente expresado en vatios. Si se divide el flujo radiante que incide o sale
de una superficie, por el área de la superficie, se tiene la densidad de flujo radiante
. En el primer caso, se habla de la irradiancia, y en el último de la existencia; y en
cualquier caso de la densidad de flujo.
Hay detectores, como el fotomultiplicador, que sirven como contadores
de fotones. Cada cuanto del campo electromagnético, que tiene una frecuencia ν,
representa una energía hν (constante de Planck,
. Si se tiene un haz
monocromático de frecuencia ν, la cantidad I/hν es el número promedio de fotones que
cruzan un área unitaria (normal al haz) por unidad de tiempo, es decir la densidad de flujo
de fotón. Si tal haz incidiera sobre un contador con área A , entonces AI/hν sería el flujo
de fotones incidentes, es decir, el número promedio de fotones que llegan por unidad de
tiempo.
Se vio antes que la solución de onda esférica de la ecuación diferencial de onda
tiene una amplitud que varía inversamente con r. Se examinará ahora lo mismo dentro del
contexto de la conversación de energía. Considerando una fuente puntual isotrópica en el
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
56
CAPÍTULO 1
espacio libre, emitiendo energía igualmente en todas direcciones, es decir emitiendo
ondas esféricas. Se rodea la fuente con dos superficies esféricas imaginarias de radios
. Sean
y
y
las amplitudes de las ondas sobre la primera y segunda
superficies, respectivamente. Si se ha de conservar la energía, la cantidad total de energía
que pasa a través de cada superficie por segundo debe ser la misma ya que no hay otras
fuentes o sumideros presentes. Multiplicando I por el área de la superficie y tomando la
raíz cuadrada, se obtiene:
.
Puesto que
y
son arbitrarias, se deduce que:
y la amplitud debe caer inversamente con r. La irradiancia de una fuente puntuales
proporcional a
. Esta es la bien conocida ley del inverso del cuadrado, la cual se
verifica fácilmente usando una fuente puntual y un exposímetro fotográfico. Obsérvese
que si se visualiza un haz de fotones viajando Radialmente alejándose de la fuente, se
obtiene claramente el mismo resultado.
FIGURA 1.12.- Ley del inverso del cuadrado
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
57
CAPÍTULO 1
1.10 Deducción de las Ecuaciones de Fresnel
Se acaba de encontrar la relación que existe entre las fases de
,
y
en la frontera. Hay aún una interdependencia compartida por las amplitudes
,
y
que ahora se pueden evaluar. Con ese fin se supone que una onda monocromática plana
incide en una superficie plana que separa dos medios isotrópicos. Cualquiera que sea la
polarización de la onda, se resolverán sus campos
y
en componentes paralelas y
perpendiculares al plano de incidencia y se tratarán estas componentes separadamente.
Caso 1.
perpendicular al plano de incidencia . Supóngase ahora que
perpendicular al plano de incidencia y que
es paralelo a él. Como
es
se tiene
que:
(1.46)
y por supuesto
(1.47)
es decir
,
y el vector de propagación
forman un sistema derecho. Haciendo uso de
nuevo de la continuidad de las componentes tangenciales del campo eléctrico
, se tiene
que en la frontera en cualquier tiempo y en cualquier punto:
(1.48)
donde los cosenos se anulan. Se debe mencionar entre paréntesis que los vectores de
campo mostrados realmente deberían ser visualizados en y = 0 (es decir, en la superficie)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
58
CAPÍTULO 1
de donde han sido desplazados a fin de hacer las cosas más claras. Obsérvese que
mientras que
y
deben ser normales al plano de incidencia por simetría,
se está adivinando que ellos deben apuntar fuera de la interface cuando
direcciones de los campos
lo hace. Las
se derivan entonces de la ecuación (3.13).
Se necesita invocar otra de las condiciones en la frontera a fin de obtener una ecuación
más. La presencia de substancias materiales que son polarizadas eléctricamente por la
onda tiene un efecto definido en la configuración del campo. Entonces, mientras que la
componente tangencial de
es continua, al pasar la frontera, su componente normal no
lo es. En su lugar la componente normal del producto
es la misma en cualquier lado
de la interface. Similarmente, la componente normal de
componente tangencial de
sus permeabilidades
es continua como lo es la
. Aparece aquí el efecto de los dos medios a través de
. Esta última condición en la frontera será la más fácil de
usar, particularmente aplicada a la reflexión en la superficie de un conductor. Entonces la
continuidad de la componente tangencial de
requiere que:
(1.49)
Combinado esto con la ecuación se obtiene:
(1.50)
y
(1.51)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
59
CAPÍTULO 1
El subíndice ⊥ sirve como un recordatorio de que se está tratando el caso en el que
es perpendicular al plano de incidencia. Estas dos expresiones, que son afirmaciones
completamente generales que se aplican a cualquier medio homogéneo, isotrópico y
lineal , son dos de las llamadas ecuaciones de Fresnel . Muy a menudo se trata con
dieléctricos para los cuales
; en consecuencia la forma más común de estas ecuaciones es simplemente:
(1.52)
y
(1.53)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
60
CAPÍTULO 2
2
Sistemas de Detección de
Movimiento
Presenta
los
avances
que se tienen en sistemas de
detección para sistemas de
videovigilancia en donde son
utilizados sensores propios en
las cámaras de seguridad junto
con aplicaciones de software.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
61
CAPÍTULO 2
Capítulo 2
Sistemas de Detección
Hoy en día, la seguridad en nuestro país, tanto personal como material, es un tema
muy importante que se presenta en todos los niveles socioeconómicos.
En un entorno donde la falta de respeto por lo ajeno prevalece, es importante tomar
medidas para contrarrestar estos actos y así brindar una mayor tranquilidad a los
propietarios en el tema.
Las escasas precauciones que se toman en tema de seguridad en los locales,
ambientes, tiendas y hasta en nuestras propias casas en nuestro país son vulnerables para
posibles atentados, es por eso, que se hace necesaria una conciencia de protección de
nuestros bienes para evitar futuras pérdidas.
Actualmente en el mundo existen gran variedad de tecnologías y dispositivos, e
inclusive hasta sistemas completos y listos para la venta que se adecuan a nuestras
particulares necesidades y que brindan un soporte seguro a nuestro hogar con distintos
niveles de protección por precios muy variados pero en general elevados.
2.1 Sensores y detectores de seguridad
En esta investigación se presenta cada uno de los dispositivos de seguridad que
conforman la solución y su gama de variedades tecnológicas que existen en el mercado
local.
2.2 Cámaras de seguridad [9]
Existe actualmente en el mercado una amplia gama de equipos de captura de video
y cámaras destinadas a cubrir las más diversas necesidades.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
62
CAPÍTULO 2
Para la elección de la cámara de seguridad adecuada es necesario primero hacer un
análisis de las características particulares del ambiente que va a ser protegido ya partir de
allí definir el dispositivo que cumpla con los requerimientos.
Las diversas características que se pueden encontrar en el mercado son las
siguientes:
- Cámaras tipo Domo (discretas y elegantes).
- Cámaras con infrarrojo para visión nocturna.
- Cámaras ocultas (de menor tamaño y ocultas en otros dispositivos).
- Cámaras para instalación interior o exterior.
- Cámaras con carcasa irrompible anti vandálica.
- Cámaras con óptica intercambiable (zoom).
- Cámaras con señal de vídeo inalámbrica.
- Cámaras con servidor Web de vídeo incorporado.
- Cámaras IP, para ver las imágenes por Internet.
- Cámaras con sensores de movimiento.
- Cámaras con imágenes a color o en blanco y negro.
- Cámaras con o sin captura de sonido.
- Cámaras con o sin alarma.
- Cámaras en circuito cerrado (CCTV) para ver uno o varios ambientes desde
todos los ángulos.
- Cámara de captura por fotos de alta resolución (CCDP).
Cabe resaltar que las cámaras que existen en el mercado combinan varias
características de las antes mencionadas.
2.3 Detector de humo y/o incendio [9]
Es un dispositivo de seguridad que detecta la presencia de humo en el ambiente y
emite una señal acústica para alertar el peligro de incendio a los habitantes del complejo,
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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63
CAPÍTULO 2
además se puede implementar su comunicación con el departamento de bomberos, llamar
a un teléfono en particular o mandar alertas vía Internet.
Existen dos tipos de tecnologías de detección:
a) Detector de tipo óptico
Pueden ser de dos tipos, según detecten el humo por oscurecimiento o por
dispersión del aire en un ambiente.
Detector con rayo infrarrojo: compuestos por un dispositivo emisor y otro
receptor. Cuando se oscurece el espacio entre ellos debido al humo sólo una fracción de
la luz emitida alcanza al receptor provocando que la señal eléctrica producida por éste sea
más débil y se active la alarma.
Detector de tipo puntual: en los que emisor y receptor se encuentran ubicados en
la misma cámara pero no se ven al formar sus ejes un ángulo mayor de 90º y estar
separados por una pantalla, de manera que el rayo emitido no alcanza el receptor.
Cuando entra humo en la cámara el haz de luz emitido se refracta y puede alcanzar al
receptor, activándose la alarma.
b) Detector de tipo Iónico.
Este tipo de detector es más económico que el del tipo óptico y puede detectar
partículas que son diminutas como para influir en la luz. Está compuesto por una pequeña
cantidad del isótopo radioactivo americio-241 que emite radiación alfa.
La radiación pasa a través de una cámara abierta al aire en la que se encuentran dos
electrodos, permitiendo una pequeña y constante corriente eléctrica. Si entra humo en esa
cámara se reduce la ionización del aire y la corriente disminuye o incluso se interrumpe,
con lo que se activa la alarma.
Es importante mencionar el tema del mantenimiento, los detectores normalmente trabajan
a pilas o conectados a la red eléctrica, en el caso de las pilas estas se gastan y vuelven
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
64
CAPÍTULO 2
inservible al sensor, algunos emiten una señal de baja batería, lo ideal sería que se revise
el estado de las baterías cada 6 meses
2.4 Sensores de Movimiento o vibración [9]
Un sensor de movimiento es un equipo electrónico que detecta el movimiento
físico en un área dada y lo transforma en una señal eléctrica que puede activar equipos de
seguridad, luces, alarmas sonoras entre otros.
Básicamente hay 2 tipos de sensores, los que trabajan con infrarrojo y los que usan
microondas.
a) Sensor infrarrojo
Activo: incluye una fuente de radiación y un sensor infrarrojo que es sensible a la
variación de radiación sensada. Se activa cuando el intruso interrumpe el camino de luz
infrarroja por lo que hay que colocar el sistema en el lugar adecuado.
Pasivo: Es un sistema que detecta la energía calorífica emitida por un objeto o
cuerpo que se mueve a través del campo de vista del sensor. Generalmente usan una
colección de sistemas ópticos y múltiples elementos de sensado de polaridad alternante
para crear un patrón de detección en el ambiente de interés.
El único inconveniente de este tipo de tecnología es el alcance, limitado a la estancia
donde se encuentran o con visión directa.
b) Sensor tipo radar
Los sensores basados en un sistema de radar trabajan con una emisión continua de
una señal de microondas y comparan la frecuencia emitida con la frecuencia eco para
producir una frecuencia patrón proporcional al rango. Cuando el intruso penetra en el
área de sensado la frecuencia eco cambia debido al rebote imprevisto y se detecta la
intrusión.
Estos sensores disponen de un mayor alcance al traspasar paredes entre ambientes y esto
ocasiona que su uso no resulte adecuado en viviendas (especialmente en edificios) dado
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
65
CAPÍTULO 2
que movimientos en viviendas contiguas pueden afectar a la detección en la propia
vivienda.
2.5 Detector de apertura de puertas y ventanas [9]
Son pequeños dispositivos cuya función es detectar cuando una puerta o ventana
es abierta que genera una reacción ya sea desde solo enviar la información así como
también activar una alarma.
Consta de dos partes: una se coloca en la puerta o ventana misma (transmisor) ya
sea con tornillos o con adhesivos y la otra (receptor) en el marco de la puerta o ventana.
El proceso de detección se genera por distintas tecnologías:
- Usando contactos magnéticos, al abrirse la puerta se interrumpe y se activa la detección.
- Usando transmisores y receptores infrarrojos.
- Usando transmisores de láser, para distancias largas.
2.6 Sistemas de alarma [14]
La alarma está formada generalmente por una sirena, campana o zumbador o
algún otro medio alternativo, que advierte de la ocurrencia de una intrusión, presencia de
humo, fuego o acción de cualquier otro dispositivo que haya sido configurado a la alarma
y es detectado por el sistema usando para ello una señal sonora (tono) de alto nivel.
En algunos casos, también puede incluir algún tipo de señalización visual, como
balizas, encendido de luces y destelladores (flash), para aquellas personas que tienen
problemas de audición o cuando existe un alto nivel de ruido ambiente.
Normalmente estas sirenas emiten un sonido de unos 120 decibeles (equiparable al
sonido de una ambulancia).
Para instalar una alarma debe tenerse en cuenta algunos factores como el nivel de
ruido ambiental, el tipo y calidad del sonido ambiental, la duración de la señal requerida,
el nivel acústico deseado y la alimentación eléctrica disponible.
Básicamente existen dos sistemas de alarma según el tipo de conexión:
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
66
CAPÍTULO 2
a) Sistema conectado a una central: que tras detectar la intrusión, avisará a la
empresa de seguridad contratada que a su vez avisará a la policía o ellos mismos se
encargaran de atender el problema .Este sistema de seguridad goza de un gran éxito
especialmente en viviendas con jardín, en casas que se encuentren aisladas o simplemente
para aquellas que están deshabitadas frecuentemente.
b) Sistema sin conexión: es el más básico, cubre las necesidades de viviendas
habitadas de forma continua ubicadas en un centro urbano. El funcionamiento de este tipo
de alarmas es muy simple, consiste principalmente en emitir un sonido cuando se intenta
acceder a la vivienda de forma violenta. Con ello se consigue ahuyentar al intruso y atraer
la atención de los vecinos y transeúntes para que alerten a la policía.
2.7 Control de accesos: [9]
Es la habilidad de permitir o denegar el acceso a un recurso por una entidad en
particular. Los mecanismos de control de acceso pueden ser usados en el manejo de
recursos físicos, lógicos o digitales. En nuestro caso queremos controlar el acceso del
personal al laboratorio.
Tecnologías en el manejo del control de accesos:
2.8 Credenciales
Cuando la credencial se presenta ante la lectora, esta envía la información
(generalmente un número) a un panel de control con procesador. Este controlador
compara la credencial con una lista de control de accesos, permitiendo o denegando el
acceso mediante el bloqueo o desbloqueo de la puerta.
a) Código de Barras:
El código de barras es una serie de tiras oscuras y claras alternadas que son leídas
por una scanner óptico. La ventaja de este tipo de tecnología es que es barato, con
facilidad de generar credenciales y son aplicadas en tarjetas u otros ítems.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
67
CAPÍTULO 2
La desventaja es que debido a lo económico que resulta esta tecnología es
propensa al fraude, además el lector óptico es fácilmente confundido con la suciedad y
con las credenciales deterioradas.
b) Tecnología de tiras magnéticas:
Llamada así porque se basa en el uso de una cinta de óxido magnético laminada en una
tarjeta. Está conformada en tres pistas de datos configuradas de acuerdo al estándar de
codificación.
Esta tecnología es más económica que las anteriores y es fácil de programar.
La cinta magnética puede almacenar más información que el código de barras, pero es
también muy susceptible a fallos de lectura y datos errados.
c) Tarjetas de proximidad:
Está basado en el uso de una lectora que genera un campo eléctrico alrededor de
ella y tarjetas que incluyen un simple circuito LC (capacitor-bobina). Cuando la tarjeta se
acerca a la lectora el circuito es excitado por el campo magnético, cargando el capacitor,
alimentando el circuito integrado y por tanto enviando el número de acceso.
d) Smart Card:
Existen dos tipos de Smart Card: con contacto y sin contacto. Ambas tienen un
microprocesador embebido y memoria. Lo que diferencia a estas tarjetas sobre las de
proximidad es que no solo almacenan el número de identificación sino también poseen
sistemas de operación que manejan múltiples aplicaciones como tarjeta de débito, tarjetas
de membrecía prepago, etc.
2.9 Código de seguridad:
El número de identificación personal consiste normalmente entre 4 y 8 dígitos.
Menor a esa cantidad es más fácil de adivinar y más de esta cantidad haría difícil
recordar.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
68
CAPÍTULO 2
La ventaja de este tipo de dispositivos es que una vez que el número es
memorizado, la credencial no se puede perder o dejar en algún lado, como sucede con la
tecnología de tarjetas.
2.10 Sistemas biométricos— escaneado de huellas digitales
Está basado en una base de datos donde se manejan las huellas digitales de todo el
personal permitido y no permitido al acceso. Previamente formada esta base de datos en
formatos no digitales ( huellas recopiladas a tinta en papeles), se procede al uso de un
software de escaneo, donde se trabaja con algoritmos que registran los puntos
minuciosos, núcleos, y deltas (espacios) que conforman cada huella digital, la cual es
considerada como única.
El sistema de escaneo posee la capacidad de verificar los patrones de la huella
digital de cada individuo que requiere el acceso y compararla contra esta base de datos,
de esta manera permite o deniega el acceso del personal.
2.11 Interfaz visual con el usuario
La interfaz o comunicación con el usuario se realizará con el uso de una
computadora servidor. El servidor es una aplicación informática o programa que realiza
algunas tareas en beneficio de otras aplicaciones llamadas clientes.
Algunos servicios habituales son los servicios de archivos, que permiten a los usuarios
almacenar, acceder a los archivos de una computadora y los servicios de aplicaciones,
que realizan tareas en beneficio directo del usuario final. [9]
Existen distintos objetivos que deben cumplir:
Abstracción de la información. Deben ahorrar a los usuarios detalles acerca del
almacenamiento físico de los datos. Da lo mismo si una base de datos ocupa uno o
cientos de archivos, este hecho se hace transparente al usuario. Así, se definen varios
niveles de abstracción.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
69
CAPÍTULO 2
Redundancia mínima. Un buen diseño de una base de datos logrará evitar la
aparición de información repetida o redundante. De entrada, lo ideal es lograr una
redundancia nula; no obstante, en algunos casos la complejidad de los cálculos hace
necesaria la aparición de redundancias.
Seguridad. La información almacenada en una base de datos puede llegar a tener
un gran valor, por lo tanto deben garantizar que esta información se encuentra segura
frente a usuarios malintencionados, que intenten leer información privilegiada.
Respaldo y recuperación. Deben proporcionar una forma eficiente de realizar
copias de respaldo de la información almacenada en ellos, y de restaurar a partir de estas
copias los datos que se hayan podido perder.
Tiempo de respuesta. Lógicamente, es deseable minimizar el tiempo que el
servidor tarda en darnos la información solicitada y en almacenar los cambios realizados.
Ventajas:
1. Facilidad de manejo de grandes volúmenes de información.
2. Gran velocidad de procesamiento.
3. Independencia del tratamiento de información.
4. Seguridad de la información (acceso a usuarios autorizados), protección de
información, de modificaciones, inclusiones, consulta.
5. No hay duplicidad de información, comprobación de información en el momento de
introducir la misma.
6. Integridad referencial al terminar los registros
2.12 ESTRUCTURACIÓN Y POLÍTICA DE NIVELES DE SEGURIDAD
En nuestro sistema de seguridad es importante detectar el ingreso, la salida y todo
acto indebido que se puede presentar dentro del ambiente de laboratorio a ser protegido, a
partir de allí definir los parámetros, sus características de cada uno de los accesorios que
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
70
CAPÍTULO 2
se escogen para este fin, de no hacerlo, el sistema sería imperfecto y por ende ineficaz en
cuestiones de seguridad.
Realizando una clasificación de niveles de seguridad propia, basándonos en la
confiabilidad que representa cada etapa definimos:
Para un primer nivel de seguridad se requiere el uso de sensores de apertura de
puertas, los cuales, dan la primera alerta y para ello se deben conectar vía inalámbrica
con el servidor.
Debido a lo accesible que resultan las ventanas se implementan varios sensores de
apertura de ventanas las cuales deben también comunicarse inalámbricamente con el
servidor para avisar los cambios que pueden presentarse.
Para un segundo nivel de seguridad se implementan sensores de presencia o movimiento
los cuales una vez que detectan un cambio en el ambiente envían un aviso al servidor
para un respectivo análisis y respuesta.
Para un tercer y último nivel de seguridad se implementa una cámara de video ubicada de
tal manera que tenga una visión completa del ambiente. Esta cámara funciona a pedido
del encargado y también debe activarse ante el registro de algún cambio proporcionado
por el sensor de movimiento, esto para cumplir con un ahorro tanto de energía como de
memoria en el disco duro del servidor en comparación a un grabado de información
permanente.
Con el mismo criterio, la grabación se hará con baja resolución para lograr un
mayor ahorro de memoria.
Por un tema de seguridad ante posibles incendios, ya que, el ambiente está lleno
de equipos eléctricos y electrónicos se instalará un sensor de humo adecuadamente
ubicado, el cual al detectar la anomalía enviará la información al servidor y además
activará una sirena.
Debido a que es un sistema de seguridad, se instalan distintos tipos de alarma
desde sonoras (sirenas, pitidos) hasta mensajes en la pantalla del servidor.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
71
CAPÍTULO 2
La comunicación entre los distintos dispositivos con el servidor se hace de manera
inalámbrica por cuestiones de estética, practicidad y conveniencia, usando el protocolo
adecuado para cumplir requisitos y tiempos de respuesta óptimos.
Finalmente, como es conocido en el Perú el factor económico es limitante, por
tanto se usarán equipos que se pueden conseguir en tiendas electrónicas locales y
supermercados a precios relativamente bajos, además se utilizará un servidor existente y
protocolos de transmisión inalámbrica de libre uso.
Las tecnologías actuales permiten conseguir equipos muy variados y confiables de
alta tecnología [1], pero resultan muy costosos, generalmente no resulta rentable el
adquirirlos, por lo que tomamos como base para esta tesis la implementación de un
sistema más simple y a la vez más económico sin descuidar el grado de protección.
Tanto la elección de los distintos sensores, detectores así como la ubicación de
cada uno de ellos y el protocolo de comunicación con el que transmitirán la información
deben ser seleccionados de tal manera que cumplan los requisitos que el nivel de
protección deseado implica, tales como cobertura de sensado, resolución de cámaras,
detecciones magnéticas confiables, duraciones de batería, tiempos de respuesta,
velocidades de comunicación y que los precios estén dentro del presupuesto estimado.
Un sistema conformado por equipos como cámaras, sensores de movimiento y
detectores de puerta lograrían un ambiente seguro, siempre en control y supervisión
resolviendo los problemas anteriormente mencionados.
3) Para el diseño del sistema se requiere de cuatro análisis, la elección de los
dispositivos, el análisis de la ubicación, la elección del protocolo de comunicación y la
elección del modo de interfase con el usuario, logrando con ello el nivel de seguridad
deseado.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
72
CAPÍTULO 2
4) Para la elección de los dispositivos se toma en cuenta la accesibilidad de estos,
los costos y el cumplimiento básico de los requerimientos del sistema como coberturas,
resolución, etc.
5) La ubicación adecuada de los distintos dispositivos garantiza que el sistema no
tenga fallas, logrando la cobertura adecuada de los puntos óptimos de sensado así como
alerta ante incendios.
6) El uso del voltaje en la salida de alarma de los dispositivos pueden usarse como
información ON/OFF y el supuesto envío de la trama de cambio de estado (Detección)
7) El uso del protocolo Zigbee permite un ahorro en el consumo, así como costos
increíblemente bajos en el ámbito de comunicación entre cada uno de los dispositivos y el
servidor además de garantizar un bajo consumo de energía lo que reduce costos de
mantenimiento.[15]
Por medio de tecnología operada con base en un pulso de láser (ref 1) disparado
en dirección a la pared que oculta el objetivo, mismo que golpea la superficie y se
dispersa en múltiples fotones, algunos de los cuales son captados por sensores especiales
de la cámara que con cálculos sumamente específicos, sobre todo de distancia,
reconstruyen la forma de aquello que se encuentra detrás de la superficie.
Otra forma de poder ver a través de objetos es poder traducir las ondas que
reciben a imágenes (Refe 2) visibles que proyectan en una pantalla. Más o menos como
hace cualquier cámara de rayos infrarrojos o ultravioleta pero, en este caso, se trata de
ondas electromagnéticas. El ingenio ha sido denominado Xaver, por aquello de mezclar
el verbo save, que en ingles significa salvar, y la X que forma el aparato cuando se planta
en la pared.
También podemos atravesar objetos por medio de Rayos X (Ref 3) de baja
potencia, haciéndolo seguro de utilizar y de paso mejorando la calidad de la imagen,
gracias a la retrodispersión de fotones irradiados de los objetos…
Uno de los problemas es poder atravesar por medio de una cámara convencional
los objetos.Para ese tipo de problemas, el profesor Silberberg (Ref 4) y sus colegas del
Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, exploraron los límites de los moduladores
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
73
CAPÍTULO 2
espaciales de luz. Estos dispositivos modifican lo que se conoce como la fase de un haz
de luz entrante. Al igual que una serie de olas en el mar que golpean a las rocas o los
surfistas, las olas de luz pueden ser más lentas o rebotadas cuando golpean contra los
materiales dispersos.
Investigadores diseñaron un chip (Ref 5) que permitiría a las cámaras de los
dispositivos móviles ver a través de paredes, madera, plástico, papel e incluso dentro del
cuerpo humano.A este resultado se llegó gracias a dos investigaciones anteriores: una
sobre un rango no usado del espectro electromagnético y la otra sobre una tecnología de
microchip que involucra la banda de terahertz del espectro electromagnético
Es posible medir situaciones cardiacas que permitirian detectar la alteración de un
individuo ante un hecho ilícito por ejemplo por medio de Los procedimientos
diagnósticos por imágenes de medicina nuclear (ref 6) , o radionúclido, son no invasivos
y con la excepción de las inyecciones intravenosas, generalmente constituyen exámenes
médicos indoloros que ayudan a los médicos a diagnosticar y evaluar problemas de salud.
Estas exploraciones por imágenes utilizan materiales radioactivos denominados
radiofármacos o radiosondas.
Se puede ver imagen aún a traves de ropa ya que se diseñó una cámara muy similar a
los escáneres de los aeropuertos que permite ver a través de objetos por medio de
microondas.(Ref 7)
Para poder detectar alteraciones cardiacas tenemos varias formas de medición
como lo es La aplicación mide la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria
mediante un software avanzado y la cámara del iPad 2. (Ref 8)
La medición de la frecuencia respiratoria (ref 9) llega a ser de gran utilidad para
pronósticos médicos. Avances en el uso de sistemas electrónicos para la adquisición de
estos datos incluyen la investigación basada en las propiedades mecánicas que se pueden
obtener al estudiar el sistema respiratorio. En este trabajo el ritmo respiratorio fue
simulado por un sistema mecánico y las señales se miden con una configuración
optoelectrónica simple.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
74
CAPÍTULO 3
3
Características de Reflexión
del Rayo Láser para diseño
de Experimento.
Breve descripción de las propiedades
del Rayo Láser cuando este es
proyectado sobre una superficie y el
tipo de reflexión que ocurre, así
como
el
modelado
de
los
experimentos a cubrir junto con el
método de Monte Carlo.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
75
CAPÍTULO 3
Características de Reflexión del Rayo Láser para diseño de
Experimento
La necesidad de incrementar la seguridad en los espacios comerciales, privados y
públicos ha solicitado mayores aplicaciones de sensores analíticos a las cámaras de
videovigilancia, por tal motivo la aplicación del Rayo Láser y su capacidad de
esparcimiento permite que este pueda viajar en lugares de difícil acceso para la cámara,
lo cuál por su efecto de esparción y reflexión permita detectar movimiento de intrusos lo
cuál generen alarmas de prevención.
Para detectar el cambio de textura en la superficie, ocasionado por el contacto
mecánico, se puede hacer uso de la técnica conocida como Esparcimiento de Luz Láser o
LLS, por sus siglas en inglés: Láser Light Scattering.
Para caracterizar la textura de superficies se han utilizado técnicas ópticas que han
probado su versatilidad y rapidez comparadas con los métodos tradicionales de palpador
mecánico [2-4]. En particular, la técnica LLS tiene la ventaja de que permite realizar
correlaciones en tiempo real de los cambios relativos en señal de intensidad de la luz
láser esparcida, versus los cambios en la textura de la superficie, de forma dinámica [58]. La mayoría de las aplicaciones de la luz láser esparcida están enfocadas
principalmente a la correlación que se obtiene entre la intensidad de la LLS con la microtextura de la superficie (rugosidad rms Rq menor a 1 μm), pero no para mayores
modificaciones en la macro-textura (topografía) de la superficie como las obtenidas en un
ensayo de desgaste que llegan a formar un surco o huella de décimas de milímetro de
profundidad. Domínguez et al, demostraron experimentalmente la factibilidad del uso de
la técnica LLS al estudio del desgaste en tiempo real en un tribómetro de perno en disco,
haciendo incidir un haz de luz láser sobre la huella de desgaste en el disco y un detector
óptico para registrar los cambios de intensidad LLS ocasionados por los cambios en
topografía superficial producidos. Los resultados obtenidos muestran que el sistema
óptico de detección de LLS es sensible a los cambios en la topografía de la superficie del
disco, provocados por el desgaste [9]. Estas observaciones sugieren aplicaciones de
interés para el estudio de desgaste en superficies de ingeniería, las cuales se forman a
través de procesos de manufactura como: torneado, fresado, barrenado, entre otros [12].
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
76
CAPÍTULO 3
3.1 Incidencia de Rayo Láser sobre superficies.
En este trabajo se desarrolla un modelo matemático basado en la óptica geométrica y el
método de Monte Carlo para entender los patrones de esparcimiento de la luz láser
observados experimentalmente en superficies de ingeniería maquinadas en el torno; en
este caso, el acabado de la superficie es acanalado unidireccional, concéntrico.
Figura 3.1. Criterio de interferencia
de Rayleigh para un haz de
longitud de onda λ. La diferencia
de trayectorias Δr entre los rayos 1
y 2, es la distancia adicional AOB
que recorre el rayo 1 con respecto
al rayo virtual 3; γ es el ángulo de
elevación del haz incidente.
Figura 3.2 Definición de la normal local
sobre la superficie f(R) en el punto de
incidencia O. La dirección de nlocal es
bisectriz del ángulo entre el rayo incidente
(i) y el reflejado (r).
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
77
CAPÍTULO 3
Figura 3.3. Efectos de esparcimiento de
un haz de luz. Rayo a: reflexión simple;
rayo b: ensombrecimiento, un pico de
rugosidad impide al rayo de luz incidir
sobre una faceta contigua; rayo c:
enmascaramiento, la reflexión de una
faceta es interceptada por otra contigua.
Figura 3.4. Parámetros experimentales del arreglo
óptico. OL y OP son las distancias del punto de
incidencia O al láser (L) y a la pantalla (P),
respectivamente; θ es el ángulo de incidencia con
respecto a la normal n; nf es el vector unitario normal al
plano de salida del haz láser.
3.2 Modelos de reflexión de luz en superficies rugosas
De acuerdo con la ley de Snell, el ángulo de reflexión de un haz de luz que incide
sobre una superficie plana es igual al ángulo de incidencia, con respecto a la normal a la
superficie. Sin embargo, una superficie real presenta imperfecciones en su textura que
originan patrones de esparcimiento del haz incidente.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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78
CAPÍTULO 3
Rayleigh sugirió una forma de relacionar la rugosidad de la superficie con la
longitud de onda y el ángulo de incidencia, considerando la altura h del pico de
rugosidad, el ángulo γ de elevación del rayo incidente y la longitud de onda λ de la luz
incidente, de tal manera que la diferencia de trayectoria entre dos rayos es:
y por lo tanto la diferencia de fase está dada por:
como se muestra en la figura 1.
A partir de las ecuaciones (1) y (2), se establece que una superficie se comportará
ópticamente lisa bajo cualquiera de las siguientes dos condiciones:
Si h << λ, la diferencia de fase Δφ es pequeña y el tratamiento permite utilizar la
teoría electromagnética [10].
Cuando h ~ λ o h >> λ, el modelo que mejor se ajusta para describir el fenómeno es el de
la óptica geométrica [11].
3.3 Óptica geométrica
En el presente trabajo, la rugosidad Rq de las superficies sometidas a desgaste
varía de 0.1 a 1 μm, del mismo orden de magnitud de la longitud de onda del láser
utilizado (λ = 630 nm. Adicionalmente, la distribución aleatoria en el tamaño de los picos
y valles evita que se manifieste algún fenómeno de interferencia de la luz, al interactuar
con la superficie. El ángulo de reflexión real del rayo de luz láser esparcido está
determinado por la normal local de la rugosidad, no por la normal de la superficie [3, 4,
13,14], como se muestra en la figura 2. Por otra parte, la rugosidad da origen a efectos
conocidos como ensombrecimiento y enmascaramiento. El ensombrecimiento ocurre
cuando un pico de rugosidad impide al rayo de luz láser alcanzar una faceta contigua, y el
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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79
CAPÍTULO 3
enmascaramiento, cuando la faceta intercepta la reflexión del rayo, como se muestra en la
figura 3.
Figura 3.2.1. Perfil de textura de la superficie del patrón de rugosidad; en el recuadro se muestra su
correspondiente FDA de las pendientes.
3.4 Modelación del esparcimiento de un haz láser reflejado usando óptica
geométrica y el método de Monte Carlo.
La modelación matemática de la reflexión de la luz láser usando el Método Monte
Carlo (MMC) se basa en el tratamiento estocástico de la interacción de la luz láser con la
materia. Cada paso en el proceso involucra la trayectoria de un solo rayo de luz desde la
fuente láser hasta el detector o pantalla, construyendo así una cadena de Markov. Debido
a que los resultados obtenidos por el MMC son promedios de muestras individuales, la
media se puede calcular con mayor exactitud incrementando el número de procesos
estocásticos [15]. El MMC aplicado a la interacción de la radiación electromagnética con
la materia tiene aplicación en la determinación de emisividad en cavidades de cuerpo
negro, en donde la reflexión de la radiación infrarroja tiene componentes especulares y
difusos [16-18].
Los parámetros de entrada de la modelación de la luz láser esparcida por una
huella de desgaste tienen que ver con: la disposición geométrica del láser con respecto a
la superficie metálica sobre la que incide; las propiedades de reflexión de la superficie; el
perfil de rugosidad de la superficie; el enfoque del láser; las áreas relativas de la huella de
desgaste y el blanco (spot) del láser sobre la huella.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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80
CAPÍTULO 3
3.5 Experimentos Previos
El algoritmo de modelación es el siguiente:
1. La superficie experimental se define por medio de una función analítica f(R) =
0. El comportamiento de ésta para reflejar la luz del haz láser se obtiene a partir de la
función de distribución acumulada (FDA) de las pendientes de los picos de rugosidad.
Esta FDA de las pendientes se obtiene a partir de una medición del perfil de rugosidad de
la superficie experimental, realizada a lo largo de una línea, en la dirección perpendicular
a la de las marcas del maquinado o sesgo. Al área iluminada por el haz láser se le asigna
una rugosidad con la FDA de pendientes determinada a partir del perfil, como requiere el
MMC para este tipo de aplicaciones [15,17], siendo esta una de las suposiciones más
fuertes del modelo.
2. El haz láser con un perfil gaussiano de intensidad, se define generando números
pseudoaleatorios que representan las coordenadas (x,y) del plano de los cuales parten los
rayos, uno a la vez, utilizando los algoritmos de Marsenne Twister y Ziggurat de
Marsaglia [19].
3. El punto de intersección de cada rayo del haz con la superficie se encuentra
resolviendo el sistema de ecuaciones:
donde R0 es el vector de posición del punto de inicio del rayo, nf el vector unitario en la
dirección del rayo, f(R) = 0 la ecuación de la superficie y t es la distancia del punto de
salida del haz en el láser, al punto de intersección con la superficie del disco.
4. La condición de reflexión o absorción de cada rayo por el material se determina
definiendo el parámetro estocástico ηα con una distribución uniforme en el intervalo [0,1]
y la reflectividad ρ del material. Si ηα < ρ, entonces se registra una reflexión del rayo. En
caso contrario se registra una absorción y la trayectoria finaliza en este paso y regresa al
paso 2 por un nuevo rayo.
5. Tal como se muestra en la figura 2, la normal local nlocal se define en el punto
de intersección del rayo con la superficie f(R) a través de la función gradiente:
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
81
CAPÍTULO 3
6. La pendiente de la faceta sobre la que incide uno de los rayos se determina a
través de un número aleatorio ηm con distribución uniforme en el intervalo (0,1) que
sirve como dato de entrada en la función inversa de la FDA de pendientes. Esta función
inversa se determina por medio de un interpolador cúbico.
7. Los efectos de enmascaramiento y ensombrecimiento debidos a la rugosidad en
ángulos de incidencia rasantes,
cercanos a 90°, se consideran por Torrance y
Sparrow [20], que se obtiene suponiendo que la
8. Finalmente, el patrón de esparcimiento se forma por la intersección de todos los
rayos del haz láser con una pantalla definida por un plano g(R) = 0.
9. superficie está formada por cavidades en forma de surcos en V cuyos efectos
caen dentro de estas cavidades. Al comparar el factor de atenuación con un número
aleatorio ηa, de distribución uniforme en el intervalo (0,1), se decide si un rayo se atenúa
o sigue su trayectoria de reflexión.
Figura 3.2.2. Gráficas de intensidad del patrón de esparcimiento de luz registrado en una pantalla
plana (recuadro), utilizando el arreglo experimental de la figura 4. Se indica el ángulo θ.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
82
CAPÍTULO 3
Figura 3.2.3. Resultados del modelo numérico de esparcimiento de luz láser sobre el patrón de rugosidad
correspondientes a las condiciones experimentales de la figura 5.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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83
CAPÍTULO 3
Figura 3.2.4. Perfil de la textura de la superficie del disco y la correspondiente FDA de pendientes, antes
(a) y después del desgaste (b). La altura Z del perfil se da en μm.
3.6 Implementación
A continuación se presenta un ejemplo de cómo un rayo Láser incidiendo sobre
una superficie rugosa será esparcido en varias direcciones logrando penetrar en lugares de
difícil acceso y que puede traer información de objetos ocultos los cuáles pueden ser
detectados por cámaras de videovigilanica.
Figura 3.6.1. Rayo Láser Incidiendo en una superficie rugosa
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
84
CAPÍTULO 3
Figura 3.6.2 Rayo Láser Incidiendo en una superficie de espejo
Figura 3.6.3 Sistema de detección con rayo Láser reflejado
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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85
CAPÍTULO 4
4
Diseño de Experimento
Presentación del modelado de los
experimentos
usando
el
interferómetro de división de Frente
y el interferómetro Mach-Zehner
para la obtención de variación de
resultados utilizando un sensor de
medición.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
86
CAPÍTULO 4
4.1 Diseño de Experimento
Utilizando el Interferómetro de Mach-Zehner es otro dispositivo de división de
amplitud. Tal y como se muestra en la figura, consiste de dos divisores de haz y de dos
espejos totalmente reflectores. Las dos ondas dentro del instrumento viajan a lo largo de
caminos separados. Puede introducirse una pequeña diferencia entre los caminos por una
ligera inclinación de uno de los divisores de haz. Dado que los dos caminos están
separados, el interferómetro es relativamente difícil de alinear. Por la misma razón, sin
embargo, el interferómetro puede aplicarse en miles de situaciones. Incluso se ha usado
de forma algo alterada pero conceptualmente análoga, para obtener franja de interferencia
de electrones.
Interponiendo un objeto en uno de los haces se alterará la diferencia de longitud de
camino óptico cambiando, por lo tanto, la distribución de franjas. Una aplicación común
de este instrumento consiste en observar la variación de densidad en distribuciones de
flujo de gases en el interior de cámaras para la investigación, por ejemplo, túneles de
viento, tubos de choque, etc.
Figura 4.1.- El interferómetro de Mach-Zehnder
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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87
CAPÍTULO 4
Otro dispositivo de división de amplitud que difiere de los instrumentos anteriores
en muchos aspectos, es el interferómetro de Sagnac, muy fácil de alinear y bastante
estable. Una forma del interferómetro de Sagnac se muestra en la figura a) y otra en la
figura b); otras formas son también posibles. Obsérvese que la característica principal de
este dispositivo es que los haces forman dos caminos cerrados antes de que se unan para
producir una interferencia. Un pequeño desplazamiento deliberado en la orientación de
uno de los espejos producirá una diferencia en el camino óptico obteniéndose una
distribución de franjas. Puesto que los haces están superpuestos y por lo tanto son
inseparables, el interferómetro no puede emplearse en las aplicaciones convencionales
que, por lo general, dependen de la posibilidad de imponer variaciones sobre uno de los
haces constitutivos.
Figura 4.2.- Interferómetro de Mach-Zehnder
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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88
CAPÍTULO 4
4.2 Resultados de Experimento
Realizando la maqueta correspondiente en donde se ocuparon vidrios transparentes para
el desvío del haz de Láser a 90° por cada uno se logró realizar una matriz de Luz en
donde se cubrió al 100 % el circuito.
Figura 26
4.2.1.- Diseño en maqueta de un circuito cerrado que pueden ser pasillos de oficinas.
En una de las entradas al circuito se envía el rayo Láser y en la salida del circuito se
coloca un sensor sensible a los cambios de intensidad del Rayo Láser.
Figura 4.2.2.- Colocación de un sensor de medición a las intensidades de Luz del Rayo Láser
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
89
CAPÍTULO 4
Se hace la identificación de 12 áreas de todo el circuito para poder realizar mediciones
cuando se hace una interrupción del haz de luz en cada una de ellas.
Figura 4.2.3.- Identificación de 12 áreas para realizar mediciones.
Realizando las conexiones del sensor de medición con una fuente de alimentación y
poniendo un multímetro en conexión con el sensor se calibra en milivolts para el
comienzo de las mediciones.
CAPÍTULO 4
Figura 4.2.4.- Conexión de fuente de alimentación al sensor y conexión de multímetro para medición.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
90
Se procede poner la maqueta en completa obscuridad exterior para verificar el diseño del
circuito Láser.
Figura 4.25.- Verificación del circuito cerrado con Rayo Láser
El experimento comienza realizando una interrupción (intruso) en cada una de las áreas,
tomando lectura de medición en el sensor de salida del circuito.
Figura 4.2.6.- Interrupción de cada una de las áreas para toma de lecturas.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
91
CAPÍTULO 4
Figura 4.2.7.- Toma de lecturas en cada una de las áreas.
Al finalizar las mediciones de cada una de las áreas se realiza una tabla en donde se
indica la lectura obtenida por área.
Áreas
Medición en mv
Lectura Inicial
5
A1
0.46
A2
0.51
A3
0.98
A4
4.7
A5
4.5
A6
5.2
A7
5.6
A8
5.82
A9
5.9
A10
3.9
A11
4.2
A12
4.9
Tabla 2.- Registro de lecturas en milivolts.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
92
CAPÍTULO 5
5
Comprobación matemática,
Análisis de Resultados y
Aplicación
Se presenta la comprobación
matemática
y
integración
de
la
propuesta
este
diseño
detección de movimiento
de
de
en un
sistema de vigilancia en donde sea
detectado
movimiento
y
la
generación de alarmas específicas.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
93
COMPROBACION MATEMÁTICA
5.1 Comprobación matemática
Utilizando las ecuaciones de Fresnel en el programa Matlab podemos determinar el
índice de refracción tanto en transmitancia y reflexión lo que se puede observar en la
curva correspondiente.
Figura 5.1.- Gráfica de coeficiente de reflexión para transmitacia y reflectancia.
La colocación de los vidrios en el
experimento es a 45° por lo que si
observamos en las curvas tenemos
que el 90% de la cantidad de rayo
luminoso del Láser corresponde a
Transmitancia y el 10% de la
cantidad de rayo luminoso del
Láser corresponde Reflectancia.
90% Transmitancia
10% Reflectancia
Figura 5.2.- Comportamiento de Láser a través del vidrio a 45°.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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94
COMPROBACION MATEMÁTICA
Considerando el análisis anterior y aplicando el Interferómetro de Mach-Zehner podemos
obtener una matriz de Láser en todo el circuito siendo sensible a los cambios de
obstrucción en cada sección como lo indica la siguiente figura.
Espejo
T= (.9)(.9)(.9)L
T= (.9)(.9)L
T= (.9)(.9)(.9)(.1)L
R= (.9)(.9(.1))L
T= (.9)(.9)L
T= (.9)(.1)(.9)L
R= (.9)(.1)L
T= (.9)(.9)(.9)(.1)(9)L
T= (.9)(.1)(.1)L
T=.9L
R=.1L
T= (.9)(.9)(.9)(.1)(9)(.9)L
T= (.9)(.9)(.9)(.1)(9)(.1)L
T= (.9)(.9)(.9)(.1)(9)(.1)(.9)L
Figura 5.3.- Comportamiento de Láser en un circuito cerrado con vidrios y espejo colocados a 45°.
Realizando todas las consideraciones matemáticas de reflectancia y transmitancia
llegamos a la fórmula final de sensibilidad la cuál variará dependiendiendo de la
obstrucción del área correspondiente lo cuál será manifestado por la cantidad de
iluminación que se puede calcular en el sensor.
T= (.9)(.9)(.9)(.1)(9)(.9)L
En donde T es la transmitancia Total del sistema y L es la medición inicial en milivolts
de Láser directo al sensor.
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95
ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.2 Análisis de Resultados
Con las mediciones obtenidas en cada una de las áreas podemos ver que al aplicar el
interferómetro de Mach-Zehnder se obtienen lecturas diferentes al bloquear área por área
lo cuál nos permite identificar en donde se encuentra el bloqueo o la obstrucción del rayo
Láser por medio de la lectura.
Si este experimento es llevado a un caso real en donde se necesita detectar intrusos en
pasillos de hoteles, edificios habitacionales, oficinas, escuelas, vigilancia perimetral en
subestaciones, refinerías o zonas residenciales, se podrán detectar a los intrusos en zonas
restringidas de acceso.
Para este caso será necesario diseñar un circuito cerrado en donde se identifiquen las
distancias a medir y el circuito a resolver ya que de esto dependerá el tipo de rayo Láser a
utilizar así como el tipo de sensor que estaría conectado a un sistema de vigilancia con
pantallas de visualización así como los cristales de orientación para el rayo Láser
Intruso
Figura 5.2.1 .Si ocupamos este experimento y lo llevamos mediante sensores que detecten presencia y que
estos sensores envíen una señal de información a la cámara de videovigilancia esta puede obtener una
alarma indicando intrusos o movimientos en zonas ciegas.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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96
APLICACIONES
5.3 Aplicaciones
Una primera aplicación de este trabajo es la utilización para la detección de intrusos en
un área perimetral ya sea de una vivienda, zonas residenciales, fábricas, subestaciones
eléctricas, refinerías de Pemex o Aeropuertos entre otros.
Otra segunda aplicación de este trabajo es la utilización para la detección de intrusos en
pasillos de oficinas u hoteles en donde se requiere proteger contra intrusos en horarios no
laborables o zonas prohibidas de acceso.
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97
CONCLUSIONES
5.4 Conclusiones
Por las características de propagación y esparción de un rayo Láser es posible
obtener información que permita detectar objetos que no pueden ser localizados por una
cámara convencional de videovigilancia ya que las imágenes que capta una cámara de
seguridad son a través de sensores CCD o CMOS que solo captan imágenes obtenidas en
la misma dirección de la cámara pero que no captan o alarman aquellas imágenes que se
encuentran ocultas por lo que por medio de la esparción del Rayo Láser es posible
penetrar en aquellos lugares de difícil acceso y que puedan traer información al respecto
sobre las variaciones de las escenas en esos sitios.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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98
TRABAJOS FUTUROS
Trabajos Futuros
Utilizando el Interferómetro de división de Frente de onda así como el experimento de
Young el cual indica con base en su experimento que un rayo de luz solar se hizo pasar a
través de un agujero inicial que se convirtió en la fuente primaria. Esto produjo un haz
espacialmente coherente que podía iluminar de manera idéntica los dos agujeros. De esta
forma Young logró producir un sistema de franjas alternas brillantes y oscuras –franjas
de interferencia. Hoy en día, conscientes de la física involucrada, por lo general
reemplazamos los agujeros por dos rendijas estrechas que permiten el paso de una
cantidad mayor de luz.
Consideremos una onda plana monocromática hipotética que ilumina una rendija larga y
estrecha. De esa rendija primaria, la luz se difractará con todos los ángulos hacia delante
y emergerá una onda cilíndrica. Supongamos que esta onda, a su vez, incida en dos
rendijas
y se superpongan, se producirá una interferencia (siempre que la diferencia
de camino óptico sea menor que la longitud de coherencia,
).
Las figuras a, b y c corresponden a la disposición clásica del experimento de Young. Hoy
en día, se prescinde de la primera pantalla y las ondas planas de un láser iluminan
directamente la pantalla de apertura. En una situación física realista, la distancia entre
cada una de las pantallas(
) sería muy ancha comparada con la distancia a entre las
dos rendijas varios de miles de veces mas grande, y todas las franjas estarían bastante
cerca del centro O de la pantalla. La diferencia de camino óptico entre los rayos alo largo
de
puede calcularse, con buena aproximación, bajando una perpendicular
desde hasta
. Esta diferencia de camino viene dada por
e)
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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99
TRABAJOS FUTUROS
Fotodetector
Figura 5.5.1 .- Experimento de Young. a) Ondas cilíndricas superpuestas en la zona detrás de la abertura de
la pantalla. b) Ondas superpuestas mostrando picos y valles. Los máximos y los mínimos se hallan en
hipérbolas casi rectas. c) Geometría del experimento de Young. d)Una diferencia de longitud de camino de
una longitud de onda equivale a m=(+- 1) y al máximo del primer orden. e) Foto cedida por M. Cagnet, M.
Francon y J.C. Thrierr . f) Una versión moderna del experimento de Young con un fotodetector (por
ejemplo, una célula voltaica o un fotodiodo como RS 305-462) y un registrador X-Y. El detector se desliza
en una diapositiva accionada por un motor y barre la figura de interferencia.
Utilizando este tipo de interferómetro lo que se busca es poder detectar imágenes
o movimiento que se encuentran ocultos bajo una barrera o protección o bien en lugares
contiguos los cuáles no pueden ser detectados por medio de una cámara de
videovigilancia.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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100
TRABAJOS FUTUROS
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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101
TRABAJOS FUTUROS
Si ocupamos este experimento y lo llevamos mediante sensores que detecten
presencia y que estos sensores envíen una señal de información a la cámara de
videovigilancia esta puede obtener una alarma indicando intrusos o movimientos en
zonas ciegas.
Cámara de videovigilancia
Señal de detección que va
hacia la cámara
Intruso
Figura5.5.2.- Aplicación de experimento
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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102
REFERENCIAS
Referencias
1.
Desarrollan cámara que captura objetos detrás de superficies sólidas (VIDEO)
Publicación: 23/03/2012 1:26 pm
La limitación tradicional de las cámaras fotográficas (que es también la de la vista
humana) de no poder registrar objetos ocultos por una pared, ha sido superada con una
invención de científicos del MIT que traspasa superficies sólidas para registrar sus tomas.
Si en cierta forma puede decirse que la cámara fotográfica está hecha a imagen y
semejanza del ojo humano, una de sus principales limitaciones es que, como nuestra
propia vista, es imposible mirar a través de una pared, sobrepasar una superficie
suficientemente sólida y opaca como para impedirnos saber qué hay detrás de esta.
Pero ahora este obstáculo podría quedar eliminado gracias a la tecnología
desarrollada por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts que han creado la
primera cámara fotográfica capaz de captura objetos ocultos por un muro.
En términos generales la tecnología opera con base en un pulso de láser disparado
en dirección a la pared que oculta el objetivo, mismo que golpea la superficie y se
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
103
REFERENCIAS
dispersa en múltiples fotones, algunos de los cuales son captados por sensores especiales
de la cámara que con cálculos sumamente específicos, sobre todo de distancia,
reconstruyen la forma de aquello que se encuentra detrás de la superficie.
Por el momento, evidentemente, se trata de una tecnología impráctica, pero que
quizá pronto pueda adaptarse a los dispositivos portátiles de uso diario —aunque
ignoramos qué tan recomendable pueda ser esto.
2.
Xaver: Aparato que ve a través de las paredes
El Xaver 800 permite ver a través de más de un
metro de piedra maciza
Artefacto
que
han
diseñado
unos
ingenieros israelitas. Pero los que no salimos
de nuestro asombro somos nosotros, pues este
aparato es capaz de captar todo lo que está
sucediendo dentro de cualquier habitación por
gruesa que sea la pared que la proteja. El jefe de tecnología de la empresa Camero, Amir
Beeri, aclara "No se trata de una cámara de fotos en el sentido común de la palabra, sino
de otra forma de ver pues lo que captamos son las ondas electromagnéticas que los
objetos transmiten".
En realidad lo que consiguen estas máquinas es traducir las ondas que reciben a
imágenes visibles que proyectan en una pantalla. Más o menos como hace cualquier
cámara de rayos infrarrojos o ultravioleta pero, en este caso, se trata de ondas
electromagnéticas. El ingenio ha sido denominado Xaver, por aquello de mezclar el verbo
save, que en ingles significa salvar, y la X que forma el aparato cuando se planta en la
pared.
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
104
REFERENCIAS
No se ven formas precisas pero sí figuras y
movimientos claros.
El aparato ha sido probado por varios
periodistas y aseguran que la experiencia las
ha resultado sorprendente. Cuentan que se
desplazaron hasta las mismas instalaciones
que la empresa posee en la localidad israelí de
Kfar Netter. Allí les recibió Shai Castoriano, vicedirector general de la empresa,
encargado de la sección de ventas y el ingeniero jefe Amir Beeri, les enseñaron una
habitación controlada por una cámara para observar todo lo que sucedía dentro mientras
desde fuera se colocaba el aparato y se procedía a ponerlo en funcionamiento a gusto de
los asistentes. Shai se levantó y pudieron ver claramente como unas señales de color
aparecían en la pantalla del Xaver indicando el movimiento del sujeto.
La utilidad de estos aparatos en el ámbito militar y defensa resulta muy evidente.
La policía puede contar con unos medios hasta ahora inéditos para calcular las posiciones
y situación de unos hipotéticos secuestradores y actuar coordinadamente en
consecuencia. También podrían considerarse ideales para las tareas de rescate en
incendios, catástrofes y todo tipo de situaciones difíciles donde haya obstáculos pesados
de por medio. Por no hablar del espionaje, que con los Xaver cuenta con unos aliados
memorables para llevar a cabo la más audaz de las misiones
(imposible a poder ser).
Puede con paredes de 45 cms de espesor y hasta con el
metal
Las distintas versiones del aparato (Xaver 400 y
Xaver 800, que se pueden ver en los vídeos) son como un
radar que capta y luego transmite a una frecuencia muy
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
Sistema de Circuito Cerrado ―
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baja, lo cual imposibilita que se le intercepte y ubique. Shai Castoriano aclara que el
aparato capta hasta una profundidad elevada y puede de hecho traspasar varias paredes
dentro de esa medida. Su sistema de radar utiliza tecnología de banda ultra ancha (UWB)
para producir imágenes tridimensionales del espacio detrás de una pared a una distancia
de hasta 20 metros.
Las imágenes, que se asemejan según se informa a las producidas por
ultrasonidos, son de relativamente alta resolución y se producen en tiempo real. La
solución de Camero nació en el Fondo de Inversiones Globales Jerusalén (JVG), cuando
Amir Beeri, un ex empleado, desarrolló un modo de emitir ondas UWB radiadas. Las
microondas se pueden utilizar para visualizar una imagen, pero el tipo de onda disponible
no proporcionaba una resolución lo bastante alta como para ser útil y no podía penetrar
las paredes hechas de cierta clase de metales, incluyendo paredes de hormigón y
reforzadas de acero.
UWB era una tecnología novedosa entonces, y era necesaria porque las ondas de
radio ordinarias no proporcionan una resolución lo bastante alta como para ser útil. Aún
así las ondas de radio son necesarias porque otros tipos de ondas no pasan a través de las
paredes. Camero ha desarrollado un nuevo tipo de ultra onda de radio que puede emitirse
para generar una imagen de alta definición y también inventó la tecnología que permite
que la onda amplificada pase a través de virtualmente cualquier pared. Otro problema con
las ondas de radio es que no funcionan bien con el metal. Sin embargo, el sofisticado
software de Camero permite a su tecnología trabajar incluso en paredes de hormigón
armado reforzado con acero.
Usa tecnología de radar UWB mejorada por los
ingenieros de Camero
Reconocen que estará en competición
directa con una compañía llamada Time
Domain, que ofrece un producto similar. Pero la
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Sistema de Circuito Cerrado ―
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tecnología de Camero es superior en varios aspectos importantes. Primero, puede ser
utilizada a una distancia de 20 metros, mientras que el producto del Time Domain debe
pegarse a la pared en cuestión. En segundo lugar, da una imagen detallada de todo lo que
hay en la habitación, mientras que el de Time Domain localiza objetos, pero no
proporciona
información
de
su
forma
o
tamaño.
"No es obligatorio pegarlo a la pared, pero es más cómodo", comenta. "La
información que capta de adentro, es procesada y transmitida en imágenes en un segundo
y medio". Se le preguntó cuáles eran los límites de detección del aparato y Castoriano
aseguró que, excepto con un tipo de material de estructura especialmente densa que
aparece por ejemplo en los conteiner, con el resto de estructuras de construcción funciona
perfectamente.
Esta tecnología puede salvar muchas vidas
―Hemos logrado pasar paredes de 45
centímetros de cemento reforzado, con tres
capas, así como también, con uno de los
aparatos (el más caro suponemos), más de un
metro de piedra".
Según indican en Camero, los aparatos están en uso ya en todos los continentes
aunque prefieren no entrar en detalles. Cuando se les insiste sobre el tema, Amir señala:
"No voy a decir quiénes lo compraron, pero puedo contar que hemos estado varias veces
en Colombia y México, donde el problema de los secuestros es muy serio" aclara. "Esto
no es ciencia ficción", sostiene. "El sistema funciona y hay quienes, en diferentes partes
del mundo, ya lo están aprovechando". Pues a partir de ahora habrá que cuidarse mucho
de hacer cositas malas en nuestras casas. Eso o asociarnos con el hombre invisible.
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REFERENCIAS
3.
LEXID: una cámara que ve a través de las paredes
Physical Optics Corporation, California, ha
desarrollado esta cámara que es capaz de
ver a través de paredes de madera,
hormigón y acero.
"Lobster-Eye" (Ojo de Langosta),
utiliza
rayos-X
de
baja
potencia,
haciéndolo seguro de utilizar y de paso
mejorando la calidad de la imagen, gracias
a la retrodispersión de fotones irradiados
de los objetos…
Este dispositivo solo está disponible para el
Departamento de Seguridad Nacional y otros organismos gubernamentales.
4.
Modulador espacial de luz
México.- En Israel, un
grupo de investigadores utiliza
un modulador espacial de luz
para deshacer la densidad que
hace que los objetos sean opacos
o antirreflejantes
En
los
últimos
años
muchas investigaciones se han
centrado en la corrección de la
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Sistema de Circuito Cerrado ―
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REFERENCIAS
opacidad, sobre todo para aplicaciones médicas. Sin embargo, el nuevo método,
publicado en la revista Nature Photonics, es rápido y utiliza la luz natural en lugar de
rayos
láser.
Los investigadores utilizan lo que se conoce como un modulador espacial de luz
para deshacer la dispersión que hace que los objetos sean opacos o antireflejantes.
En 2010 una cámara que puede ver los objetos o personas que al otro lado de una
esquina o pared acaparó la atención de los medios y la comunidad científica. El aparato
dispara ráfagas cortas de luces de láser que se reflejan en una esquina para descubrir el
objeto o persona que hay detrás de una pared. Las partículas de luz golpean al objeto o a
la persona oculta y se reflejan. Luego esas partículas de luz son recogidas por el
obturador de la cámara y, finalmente, un software reconstruye la información que hay
detrás.
El prototipo es sólo uno de los muchos esfuerzos que tratan de descifrar el
misterio de los objetos opacos.
Olas de luz
Para algunas aplicaciones, la técnica de la cámara basada en láser no es suficiente.
"Si se quiere ver a través de un huevo para ver el desarrollo de un embrión o si desea ver
a través de la piel, la opacidad de la superficie es el principal obstáculo y una cámara no
es suficiente", explicó Yaron Silberberg, uno de los autores del estudio.
Para ese tipo de problemas, el profesor Silberberg y sus colegas del Instituto de
Ciencia Weizmann en Israel, exploraron los límites de los moduladores espaciales de luz.
Estos dispositivos modifican lo que se conoce como la fase de un haz de luz entrante. Al
igual que una serie de olas en el mar que golpean a las rocas o los surfistas, las olas de luz
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pueden ser más lentas o rebotadas cuando golpean contra los materiales dispersos.
Los moduladores se componen de una matriz de píxeles que pueden corregir
selectivamente algunas partes del haz de luz. Cuando a un campo eléctrico se le aplica un
píxel,
cambia
la
velocidad
de
la
luz
que
pasa
a
través
de
él.
Paredes que se convierten en espejos
El profesor Silberberg y su equipo probaron su modulador por primera vez en una
película de plástico de alta densidad. A medida que la computadora ajustaba el
modulador se podía ver la imagen clara de una lámpara que había detrás del plástico. "Lo
que hemos demostrado es que no es necesario el láser, todos los demás estaban haciendo
esto con láser. Demostramos que se puede hacer con luz natural o con la luz de una
lámpara",
explicó
Silberberg
a
la
BBC.
El equipo también se dio cuenta que el mismo enfoque puede funcionar para el
fenómeno de la reflexión, es decir, cuando la luz no pasa a través de un material disperso
pero rebota en él, como es el caso de la luz que refleja una pared en una esquina.
Uno de los experimentos fue demostrar cómo funciona el procedimiento en un
pedazo de papel, el modulador podía aprender la manera de borrar la opacidad de una
hoja de papel, un reflector de luz casi perfecto. "Con este método podemos tomar un
trozo
de
pared
y
convertirlo
en
un
espejo",
comenta
Silberberg.
La técnica, aclara, será utilizada en estudios biológicos y médicos, en especial
para ver detrás de la materia blanca del cerebro que sale en las imágenes neurológicas, en
lugar de negocios que vendan dispositivos en los que se pueda ver a través de materiales
delgados o al otro lado de una esquina. "Con esto no quiero decir que la nueva técnica va
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a permitir ubicar organizaciones secretas o descubrir a mirones. No es tan simple. Pero el
principio lo hemos encontrado", detalla el experto.
5.
Celulares con rayos X
Publicado el Abr. 27, 2012
La visión de rayos X ya no sería
sólo una cuestión de superhéroes en el
futuro. Un equipo de la Universidad de
Texas, en Dallas, encabezado por el
profesor de ingeniería eléctrica Kenneth
O.,
hizo
nuevos
descubrimientos
científicos que podrían hacer posible ver a
través de los materiales sólidos.
Los investigadores diseñaron un chip que permitiría a las cámaras de los
dispositivos móviles ver a través de paredes, madera, plástico, papel e incluso dentro del
cuerpo humano.
A este resultado se llegó gracias a dos
investigaciones anteriores: una sobre un rango no
usado del espectro electromagnético y la otra sobre
una tecnología de microchip que involucra la banda
de terahertz del espectro electromagnético. El
profesor Kenneth O. dijo que con un esfuerzo
sostenido, un producto así podría ser creado dentro
de dos años.
Usos posibles de los celulares con rayos X
La tecnología que permitirá a los que no somos superhéroes mirar a través de
paredes se desarrolla en varios sectores y con objetivos muy diferentes.
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Sistema de Circuito Cerrado ―
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REFERENCIAS
Timothy Mack, presidente de World Future Society, aseguró que hoy se ven dos
desarrollos paralelos: el que viene del sector académico y el que proviene de las fuerzas
armadas y la seguridad. El ejército apunta a una tecnología que puede penetrar blindajes,
es decir de tipo armamentístico.
Por cuestiones de resguardo de la
privacidad,
Kenneth
O.
limitó
la
profundidad que esta tecnología puede
penetrar a 10 centímetros (4 pulgadas).
Aunque estas limitaciones podrían afectar
a las aplicaciones médicas, James Canton,
del Institute for Global Futures, aseguró
que ver 4 pulgadas dentro el cuerpo igual sería un gran avance porque analizar las
lesiones en formas que antes no eran posibles.
También agregó que con una profundidad de 4 pulgadas se podrían hacer exploraciones
profundas dentro del cerebro y ver el revestimiento estomacal.
Preocupaciones por la privacidad
Sobre
las
preocupaciones
relativas a la privacidad, hay grandes
dudas de que esta tecnología pueda
salvarse de caer en malas manos.
Cantón aseguró que cualquiera sean los
usos iniciales, esta tecnología será
probablemente hackeada y usada para
otros fines, como ya ocurrió con
docenas de tecnologías.
Aunque hoy la profundidad de visión pueda limitarse a 4 pulgadas, no es difícil
imaginar que esta tecnología podría usarse para espiar a través de paredes, afirman los
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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especialistas. En este sentido, Mack concluyó que las preocupaciones sobre la privacidad
se considerarán en cuestiones de seguridad, pero serán irrelevantes cuando se trate de
salvar una vida.
6.
En qué consiste la medicina nuclear cardíaca
La medicina nuclear constituye una subespecialidad del campo de las imágenes médicas
que utiliza cantidades muy pequeñas de material radioactivo para diagnosticar y
determinar la gravedad, o para tratar, una variedad de enfermedades, incluyendo varios
tipos de cánceres, enfermedades cardíacas, gastrointestinales, endocrinas, desórdenes
neurológicos, y otras anomalías dentro del cuerpo. Debido a que los procedimientos de
medicina nuclear pueden detectar actividades moleculares dentro del cuerpo, ofrecen la
posibilidad de identificar enfermedades en sus etapas tempranas, como así también las
respuestas inmediatas de los pacientes a las intervenciones terapéuticas.
La medicina nuclear cardíaca es útil para el diagnóstico y evaluación de la
enfermedad de las arterias coronarias. También se utiliza para la evaluación de la
cardiomiopatía, y para identificar el posible daño al corazón causado por la quimioterapia
o la radioterapia.
Los procedimientos diagnósticos por imágenes de medicina nuclear, o
radionúclido, son no invasivos y con la excepción de las inyecciones intravenosas,
generalmente constituyen exámenes médicos indoloros que ayudan a los médicos a
diagnosticar y evaluar problemas de salud. Estas exploraciones por imágenes utilizan
materiales radioactivos denominados radiofármacos o radiosondas.
Según el tipo de examen de medicina nuclear, la radiosonda se puede inyectar
dentro del cuerpo, ingerir por vía oral o inhalar como gas, y finalmente se acumula en el
órgano o área del cuerpo a examinar. Emisiones radioactivas de la radiosonda son
detectadas por una cámara especial o aparato para tomar imágenes que produce
fotografías e información molecular detallada.
En varios centros, las imágenes de medicina nuclear se pueden superponer con
tomografía computada (TC) o resonancia magnética nuclear (RMN) para producir
diversas vistas, una práctica conocida como fusión de imágenes o co-registro. Estas vistas
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Sistema de Circuito Cerrado ―
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permiten que la información correspondiente a dos exámenes diferentes se correlacione y
se interprete en una sola imagen, proporcionando información más precisa y diagnósticos
más exactos. Además, los fabricantes ahora fabrican unidades de emisión única de
fotones de tomografía computarizada/tomografía computarizada (SPECT/TC) y
tomografía/tomografía computarizada por emisión de positrones (PET/TC) con capacidad
de realizar ambos exámenes por imágenes al mismo tiempo. Una tecnología de toma de
imágenes emergente, pero que aún no está disponible actualmente, es el PET/MRI.
Los exámenes de medicina nuclear cardíaca proporcionan imágenes sobre la
distribución del flujo sanguíneo hacia el músculo del corazón y sobre la función del
corazón.
Los procedimientos de medicina nuclear se realizan utilizando alguno de los
sistemas siguientes: gammacámara, tomografía computarizada de emisión de un solo
positrón (SPECT) o tomografía por emisión de positrones (PET).
La gamma cámara, que está revestida en metal, es capaz de detectar radiación y de tomar
fotografías desde diferentes ángulos. La gammacámara no emite ningún tipo de
radiación. Es posible que la misma se suspenda sobre la mesa de exámenes o que se
encuentre debajo de la mesa. A menudo las gammacámaras tienen una cabeza doble con
una cámara al lado de la otra formando un ángulo de 90 grados. En algunos centros de
diagnóstico por imágenes, la gammacámara se ubica por debajo de la mesa de exámenes
y permanece fuera de la vista. La cámara puede ser localizada dentro de un escáner largo,
con forma de dona similar en apariencia a un escáner de tomografía computarizada.
La SPECT usa una gammacámara que rota alrededor del cuerpo para producir
imágenes más detalladas (imágenes tridimensionales).
La mayoría de los procedimientos de medicina nuclear usan una cámara gamma, una
cámara especializada con cubierta de metal. Ciertos equipamientos de medicina nuclear
tienen algunas funciones de TC que ayudan a mejorar las imágenes e incrementan la
capacidad para combinar las imágenes funcionales (medicina nuclear) y las imágenes
anatómicas (CT).
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Una computadora cercana colabora con la elaboración de imágenes a partir de los
datos obtenidos por la cámara o el escáner.
Mediante exámenes habituales de rayos X, se crea una imagen pasando los rayos
X por el cuerpo, desde una fuente externa. Por otra parte, los procedimientos de medicina
nuclear utilizan un material radioactivo denominado radiofármaco o radiosonda, que se
inyecta en el torrente sanguíneo, se ingiere por vía oral o se inhala como gas. Este
material radioactivo se acumula en el órgano o área del cuerpo a examinar, donde emite
una pequeña cantidad de energía en forma de rayos gamma. Una gammacámara, escáner
para PET, o una sonda detecta esta energía y con la ayuda de una computadora elabora
imágenes que presenten detalles tanto de la estructura como de la función de los órganos
y tejidos de su cuerpo.
7.
Cámara tipo Scaner
Científicos de la Universidad de Missouri S&T
crearon una cámara muy similar a los escáneres de los
aeropuertos que permite ver a través de objetos por
medio de microondas.
El proyecto ha sido dirigido por el Dr. Reza
Zoughi y gracias a las contribuciones en este campo se
ha llegado a ganar el Premio en 2011 José F. Keithley en
Instrumentación y Medición del Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos (IEEE).
El diseño de la cámara ha sido pensado utilizarse en cuanto a tecnología médica
como un detector de enfermedades en la piel o en tecnología espacial como detector de
problemas en las capas aislantes de los cohetes espaciales. También podría ayudar en la
seguridad permitiendo detectar contrabando o armas en pasajeros o también ayudaría a
detectar daños producidos por las ternitas en las casas. Un sin fin de utilidades en un
―Sistema Láser para detección de movimiento en un
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futuro cercano podría tener la cámara portátil con escáner que han creado estos
científicos
El funcionamiento de esta cámara se basa principalmente en captar 30 imágenes
del objeto que se encuentre en frente al foco de la cámara, de allí pasan a una laptop que
captura las imágenes en tiempo real y a través de un software nos muestra 4 tipos de
imágenes en tiempo real. En cuanto al consumo de energía de la cámara es realmente
poco, solo necesita una batería como la de una laptop para trabajar por varias horas.
8.
Philips crea una aplicación para medir el ritmo cardiaco y la frecuencia
respiratoria a través de la cámara del iPad 2
No es ciencia ficción.
Es real y parece ser que
funciona bastante bien según la
opinión de los usuarios que la
han probado. La aplicación se
denomina Vital Signs Camera
y la ha desarrollado Philips
para el iPad 2.
Camera
Desarrollador:
-
Vital Signs
Philips
Philips
Electronics Nederland B.V.
La aplicación mide la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria mediante un
software avanzado y la cámara del iPad 2. Esta innovadora tecnología permite medir los
signos vitales de una manera muy fácil. Todo lo que tienes que hacer es situarte delante
del dispositivo y tratar de permanecer quieto mientras que la aplicación comprueba el
color de tu cara para medir la frecuencia cardiaca y analizar el movimiento del pecho
para medir el ritmo respiratorio. También permite compartir los resultados en las redes
sociales Facebook y Twitter o por correo electrónico.
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