SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención pertenece al sector de los aparatos, métodos, sistemas o dispositivos técnicos capaces de medir, o estimar, variables físicas (Metrología). Más en particular, esta patente describe un aparato que sirve para determinar en tiempo real, Ia velocidad y dirección de un cuerpo aéreo u objeto que sea observable desde cualquier punto del hemisferio celeste de un determinado lugar geográfico, ya sea terrestre o marítimo.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

El primer instrumento inventado con el fin exclusivo de obtener una imagen panorámica consistió en una lente óptica objetivo que obtenía imágenes no extensas de un paisaje para luego, mediante un tratamiento informático, ensamblarlas y convertirlas finalmente en Ia representación gráfica de un amplio sector del campo visible (Poelstra, TJ, "Method and device for producing panoramic image and a method and device for consulting panoramic devices, US Patent 5563650, 1996). Bien se puede decir que este dispositivo era equivalente a un objetivo, de corto angular, que tomaba fotografías sucesivas durante un giro completo de 360°. Unos años después, se registro otra patente de un método capaz de corregir Ia distorsión entendible e insalvable introducida en cualquier imagen o vista panorámica de un paisaje cuando ésta se proyecta en una superficie plana (Mojaver M. et al., Panoramic imaging and display system with canonical magnifier" US Patent 6833843, 2004). Lo más novedoso de este trabajo es el particular tratamiento informático de Ia imagen.

Históricamente, el primer sistema empleado en el registro y seguimiento del cielo nocturno es Ia cámara denominada CONCAM (RJ. Nemiroff y J. B. Raffert, "Towards a continous record of the sky", PASP 111 , página 886, 1999) que idearon los científicos de una universidad norteamericana. También han aparecido en el mercado, después, otros dispositivos o montajes que siguen los modelos anteriores y están pensados, preferentemente, para detectar masas nubosas (véase por ejemplo, M. J. Kosch, "The Skibotn a CCD All-Sky Imager and real time networking onto the WWW, MPAE-T-010-99-12, Max Plank Institute für Aeronomie, Lindau, Germany, 1999). En este modelo, una complicada disposición de espejos produce una imagen, casi hemisférica, proyectada sobre un detector de tamaño reducido. Recientemente, se ha presentado en Ia Oficina Española de Patentes y Marcas (OEPM) Ia patente registrada con el número 200501127 (Castro Tirado A. J., "Cámara digital nocturna y sus aplicaciones para Ia observación automática de todo el cielo") a Ia cual Ie han sido concedidos derechos de patente con fecha de 27 de Noviembre de 2007. Esta invención, que ya se utiliza en algunos observatorios astronómicos universitarios y profesionales, sirve para detectar, automáticamente, Ia aparición de meteoros y bólidos pues permite al técnico, obtener Ia panorámica del cielo de un lugar geográfico determinado, en una sola toma de imagen digital y en un tiempo corto. A tal fin dispone de un detector CCD (acrónimo en inglés de Charge Couple Device, o dispositivo de carga acoplada) refrigerado, en el rango óptico del espectro visible, de una relativamente alta superficie de exposición (4096 x 4096 píxeles o elementos de imagen) y eficiencia cuántica por encima del 50%. Una lente de ojo de pez, o gran angular, de alta luminosidad completa el prototipo el cuál es capaz de presentar una imagen del trazo luminoso dejado por el meteorito. El montaje de esta patente no permite hacer estimaciones de los parámetros físicos del vuelo de caída, es tan sólo un instrumento para avistamiento y observación automática de objetos móviles en el cielo nocturno. Al mismo tiempo y sobre un tema bien distinto al de los instrumentos ópticos captores de imagen, se presentó un trabajo académico sobre el análisis de los elementos químicos que constituyen los meteoritos que, procedentes del espacio exterior producen brillantes bolas de fuego antes de caer a tierra (J. M. Trigo Rodríguez "Análisis espectroscópico de fragmentos cometarios y asteroidales a Ia entrada a Ia atmósfera terrestre". Tesis doctoral. Publicaciones de Ia Universidad de Valencia, 2002). En esta publicación, el autor recomienda a los especialistas en el tema, determinar, a ser posible de inmediato, el lugar de caída de estos cuerpos, testigos de primera mano de los procesos físico-químicos acontecidos durante Ia formación de los planetas, para así evitar su contaminación o, Io que sería peor, su perdida.

La microelectrónica, Ia óptica y Ia informática son las tres especialidades técnicas que permiten hacer frente y resolver el problema científico reseñado en el párrafo anterior. El poder saber con precisión y rapidez suficientes el lugar de caída de estos restos requiere determinar Ia velocidad con Ia que surcan Ia atmósfera, sobre todo en el tramo final de su trayectoria, en el que dejan de emitir luz visible al ser decelerados. En esta fase final que los especialistas denominan "vuelo oscuro", el meteorito o los diferentes trozos en los que puede haberse dividido durante su vuelo, avanzan hasta caer al suelo. No es posible estimar el punto o área de caída sin conocer Ia velocidad terminal exacta de Ia primera fase luminosa registrada por el dispositivo de observación. Hasta Ia fecha, no son numerosas las patentes o publicaciones científicas basadas en Ia determinación de Ia velocidad de los objetos registrados. En esta Memoria de invención se presenta un dispositivo que instalado en cualquier sistema de avistamiento o seguimiento, en general, de objetos volantes, visibles permite determinar Ia velocidad de caída y que en tándem con un sistema igual, localizado a una cierta distancia, sirve para determinar Ia trayectoria. El prototipo empleado en Ia preparación de los ejemplos consignados aquí, fue montado, en un primer ensayo, en Ia "Cámara digital nocturna" patentada por el Dr. D. Alberto J. Castro-Tirado.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un mecanismo compuesto básicamente por una hélice plana giratoria que interrumpe, con una cierta periodicidad, el haz luminoso que proviene de un objetivo óptico. El movimiento controlado de este obturador se logra merced a un motor de velocidad angular constante y regulable a voluntad, al cual está unido por un eje rotor acoplado a ambas caras internas de Ia caja o cubierta protectora. El ajuste de Ia periodicidad de Ia extinción de Ia imagen del objeto a observar, y con ayuda de un cálculo inmediatamente posterior a Ia toma de datos, permite conocer Ia trayectoria y el lugar de caída del objeto, si es que finalmente cae a tierra.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La metodología seguida en esta patente de invención está basada en una concepción generalizada del efecto estroboscópico que permite visualizar, y analizar, cualquier objeto que se mueva, mediante el fraccionamiento del hecho físico (real) del movimiento en una serie de cortos acontecimientos en los cuales, el movimiento queda ausente. En efecto, visto a simple vista por un observador ocasional, si el paso de un meteoro es percibido por él como un punto luminoso, muy brillante, que atraviesa veloz el cielo del lugar, Io que esta técnica nos hace ver en una pantalla, finalmente, es una imagen, estática, en Ia cual el trazo dejado por el cuerpo aparece y desaparece periódicamente.

Un cálculo informático sobre Ia imagen digital permite conocer Ia velocidad instantánea del meteoro, a partir de esa sucesión de "segmentos de trayectoria visualizados durante las no extinciones" y en función de cuáles sean los parámetros de diseño, y de giro, del obturador elegidos por su operador.

Las figuras 1a (sección lateral) y 1 b (sección recta vista desde arriba) presentan, de manera general, el obturador multifrecuencia inventado. La figura 2, igualmente, describe con detalle Ia hélice plana giratoria (3) que extingue, periódicamente, Ia imagen proyectada por Ia lente, o las lentes, objetivo gran angular (1 ). Una caja metálica (6), figuras 1a y 1 b, cuadrangular, hueca y plana, guarda Ia pieza más esencial del dispositivo que es una hélice (3) metálica, plana y giratoria (Figura 2) que en su movimiento efectúa las extinciones de Ia imagen proyectada por el objetivo (1 ) en el detector CCD (7). La forma y dimensiones de Ia caja (6), o cubierta protectora, pueden variar según el tipo de objetivo óptico (1 ) y detector (7) al que se desea acoplar el obturador. La hélice plana (3) es una lámina metálica cortada de acuerdo con Ia forma especificada en Ia figura 2. Es importante hacer constar que en Ia hélice (3), el número de aspas, y Ia velocidad angular de giro, o Io que viene a ser Io mismo, el número de extinciones de Ia imagen por unidad de tiempo, pueden variar, esta vez, en función del grado de precisión del cálculo a llevar a cabo para determinar Ia trayectoria del objeto en movimiento. El espesor de Ia lámina metálica es de 2 milímetros, para asegurar Ia ausencia de deformaciones. La construcción y posterior calibración de Ia hélice (3) recomienda que el número de aspas sea 6 ó 12. También, es necesario un ajuste angular preciso de las aspas. El tallado de los bordes de Ia hélice (3) debe ser perfectamente radial y simétrico respecto del eje de giro (centro de Ia figura) y, al final, todos ellos queden perfectamente pulidos con Ia ayuda, por ejemplo, de un método espectroscópico de comprobación de superficies. Como tales aspas son las responsables de fraccionar Ia imagen, su disposición en ángulos equidistantes entre sí, ha de ser muy precisa. Esto ha de ser así, porque defectos, tanto en el acabado de los bordes, cómo irregularidades en Ia disposición de las aspas de Ia hélice (3) son el origen de errores de cálculo indeseados.

La antes mencionada caja metálica rectangular (6) tiene en sus partes superior e inferior dos vaciados circulares donde se han soldado eléctricamente los correspondientes anillos de unión roscada de Ia lente objetivo gran angular (1 ) y detector CCD (7) (Figura 1a). A su vez, Ia hélice (3) es movida por un motor eléctrico de pasos (2) a través de un eje a rodamientos insertado en las paredes internas superior e inferior de Ia caja (6). El motor de pasos (2), integrado en Ia caja (6, Figuras 1a y 1b), acciona Ia hélice plana (3) por medio de una rueda dentada que, por simplicidad, no aparece en las figuras.

Finalmente, el obturador se ha de montar perfectamente alineado con el eje óptico de Ia lente o sistema óptico objetivo (1 ) (o sistema, o aparato óptico de observación, cualesquiera pueda ser este), y con el detector CCD (7) tal y como se muestra en Ia figura 1a. Precisamente, Ia figura 3 muestra el aspecto del dispositivo inventado antes de realizar este montaje. A través de un circuito electrónico externo se podrá controlar Ia velocidad angular de giro del obturador. Dependiendo del objetivo del estudio seleccionaremos una mayor o menor velocidad angular de giro del sistema rotor para obtener el número de obturaciones/segundo deseadas. En el prototipo construido se ha empleado un motor "paso a paso" (2) que funciona con un voltaje de 12 Voltios de corriente continua. La velocidad angular del motor (2), se encuentra en el rango de 1 a 10 rpm. Dicho número de revoluciones se controla con un diodo rectificador dotado de un cristal piezoeléctrico cuya piezoelectricidad mantiene constante Ia velocidad de giro. El obturación multifrecuencia así diseñado es capaz de proporcionar al usuario un amplio rango de velocidades de giro que pueden ser aplicadas para observar sistemáticamente y de modo automático, aeronaves, meteoros y bólidos, o fuentes luminosas en movimiento que pasen por el campo celeste abarcado por Ia lente objetivo (1 ). Nótese, también, que Ia velocidad angular del motor "paso a paso" (2) y el número de aspas en Ia hélice (3) permiten analizar el movimiento de objetos que se desplacen a velocidades de valores numéricos muy diferentes.

El obturador multifrecuencia presentado permite observar sistemáticamente el movimiento de aeronaves u otras fuentes luminosas en movimiento que pasen por el campo abarcado por Ia cámara CCD (7) tanto a pleno sol del día, cómo por Ia noche. No se excluye Ia interposición de un filtro neutro atenuador entre obturador (1 ) y detector CCD (7). Para las pruebas de campo que consistieron en Ia monitorización durante un tiempo largo, del movimiento de aeronaves, satélites artificiales o meteoros desde al menos dos estaciones terrestres se empleó Ia cámara que permite ver todo el cielo de un lugar, patentada por el Dr. A. J. Castro Tirado (citada en el apartado del Estado de Ia Técnica Anterior). Las imágenes digitales obtenidas por aplicación de este obturador resultaron perfectamente nítidas y carentes de viñeteo (véanse, por ejemplo, las figuras 4 y 5).

Las principales aplicaciones de esta invención son:

1 ) En experimentos de laboratorio, para monitorizar el rápido movimiento de objetos en el campo cubierto por Ia cámara CCD a Ia que se aplique el obturador de giro multifrecuencia. 2) En el campo científico para determinar Ia velocidad de meteoros o bolas de fuego.

3) En el campo militar, este dispositivo puede ser útil en el contexto de monitorizar de manera continua el movimiento y Ia velocidad de aeronaves o satélites.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Aunque el obturador descrito anteriormente se montó en Ia cámara hemisférica patentada por Alberto Javier Castro Tirado, con el fin de demostrar su aplicabilidad práctica en dos casos reales, Ia presente invención es aplicable a cualquier tipo de cámara, instrumento óptico o detector.

EJEMPLO 1. DETERMINACIÓN DE LA POSICIÓN Y VELOCIDAD DE UN SATÉLITE ARTIFICIAL

Este ejemplo muestra Ia aplicación del prototipo de esta patente al caso particular de Ia determinación de Ia velocidad de un satélite artificial.

Estos cuerpos son vistos a simple vista, al atardecer y al amanecer, cuando su cuerpo es iluminado por el Sol. En especial, este ejemplo se ha elegido por ser una muestra del funcionamiento del obturador multifrecuencia incluso en los casos extremos en que el objeto se encuentra a cientos de kilómetros de las estaciones de registro. Aquí se estudia el caso correspondiente a un satélite artificial situado a unos 1.000 kilómetros de altitud y observado por dos distintas estaciones dotadas ambas de cámaras

CCD (7) que Io registraron el 15 de julio de 2007 a las 3h12m22s TUC

(Tiempo Universal Coordinado)(véase Ia Figura 4). La estación #1 se encontraba en Ia provincia de Gerona (concretamente, en las coordenadas, λ: 357.48° φ: +41.72° AIt.: 300 m) y Ia estación #2 en Barcelona (λ: 357.68° φ: +41.94° AIt.: 567 m).

El procedimiento de reducción y cálculo se describe aquí de manera muy sucinta. Primero se mide en coordenadas cartesianas Ia posición de las estrellas del campo y de Ia trayectoria del satélite. Posteriormente, conocidas las coordenadas ecuatoriales de las estrellas se determina las coordenadas de Ia trayectoria del objeto en Ia bóveda celeste desde las dos estaciones (Trigo-Rodríguez, obra citada, 2002). A partir de ahí se determinan los planos que contienen cada estación y Ia trayectoria del satélite. La intersección de ambos planos permitirá determinar Ia trayectoria y altura sobre Ia superficie terrestre del ingenio espacial. De ese modo se determinaron las coordenadas geográficas y Ia altura del satélite. Al orbitar a una altura de unos 900 kilómetros podemos identificar que se trata de un satélite de órbita baja, conocidos generalmente por el acrónimo inglés LEOs. Además los segmentos en que aparece dividida Ia trayectoria del satélite (Fig. 4b) permiten estimar una velocidad media de 8.0±0.5 km/seg. Los datos obtenidos se consignan en Ia Tabla 1.

Tabla 1. Trayectoria del satélite del ejemplo #1 medida desde ambas estaciones. Nótese que Ia razón por Ia que las coordenadas iniciales de inicio y fin del satélite desde ambas estaciones no coinciden dado que Ia estación #2 registró un tramo más débil al ser el sistema más sensible.

Coordenadas geográficas Coordenadas ecuatoriales

Estación λ (°) φ (°) Altura α (°) δ (°)

#1 (km)

Inicio 351.10+0.04 39.81±0.03 872 21.912 +21. 824

N

Fin 351.46+0.04 39.58±0.03 861 20.558 +19. 934

N

Estación λ (°) φ (°) Altura α (°) δ (°)

#2 (km)

Inicio 350.55±0.04 40.15±0.03 905 23.954 +23. 076

N

Fin 351.70±0.04 39.43±0.03 850 19.863 +17. 178

N

El ejemplo descrito muestra un caso en que el satélite artificial aparece en una geometría muy alejada y relativamente desfavorable. Aún así el sistema puede determinar Ia velocidad del objeto aunque con una imprecisión relativamente elevada dada Ia distancia a Ia que se contempla el objeto. En otras ocasiones las aeronaves pueden pasar a distancias mucho más próximas de Ia estación de registro de manera que Ia precisión de Ia trayectoria y velocidad estimadas aumenta significativamente. Una imagen de un satélite sobrevolando Ia estación en Ia que Ia obturación es mucho más nítida aparece en Ia Fig. 5. EJEMPLO 2. DETERMINACIÓN DE LA POSICIÓN Y VELOCIDAD DE UNA BOLA DE FUEGO

Desde las mismas estaciones que en el ejemplo anterior y con idéntico montaje instrumental se registró el paso por el cielo de una bola de fuego tan luminosa como el planeta Venus el 14 de julio de 2007 a las 2h29m11s TUC (Figura 6). La altura estimada del fenómeno luminoso (Tabla 2) indica que Ia detección corresponde a Ia entrada de un meteoroide en Ia atmósfera de Ia Tierra. La razón es que los meteoros se producen a alturas mucho menores (típicamente entre 120 y 70 km) que las de los satélites artificiales. Para corroborar esta sospecha Ia velocidad media de Ia partícula fue de 50 km/s Io que indica claramente que se trata de un cuerpo interplanetario pues es una velocidad mucho mayor que Ia de escape del campo gravitatorio terrestre.

El procedimiento de reducción astrométrico es exactamente igual al caso anterior. Primero se obtiene Ia posición del objeto en base a Ia posición en coordenadas ecuatoriales de las estrellas (Fig. 6c). Conocida Ia posición y Ia distancia entre las estaciones se determinan dos planos que contienen al bólido visto desde ambas estaciones. La intersección de ambos planos permitirá definir Ia trayectoria real del bólido en Ia atmósfera (Fig. 6d) y su órbita en el Sistema Solar si Ia velocidad es determinada (Fig. 6e). El método de cálculo y las ecuaciones a resolver aparecen detalladas en (Trigo Rodríguez, 2002). Del número de segmentos generados por el obturador (Fig. 6a) se determinará Ia velocidad de Ia partícula a Io largo de Ia trayectoria. Conocida Ia velocidad de Ia partícula a su entrada en Ia atmósfera, el punto radiante de procedencia en Ia bóveda celeste (Fig. 6c) y Ia trayectoria seguida (Fig. 6d) podrá determinarse Ia órbita heliocéntrica que seguía en el Sistema Solar (Fig. 6e). Tabla 2. Trayectoria de Ia bola de fuego descrita en el ejemplo #2 medida desde ambas estaciones. Nótese que Ia razón por Ia que las coordenadas iniciales de inicio y fin no coinciden es debido a que Ia estación #2 registró un tramo más débil al poseer mayor sensibilidad.

Coordenadas geográficas Coordenadas ecuatoriales

Estación #1 λ (°) φ (°) Altura (km) α (°) δ (°)

Inicio 356.492+0.003 42.028+0.002 107.6+0.1 27.338 +44.075

N

Fin 356.682+0.003 42.036+0.002 86.0+0.1 30.604 +46.962

N

Estación #2 λ (°) φ (°) Altura (km) α (°) δ (°)

Inicio 356.539+0.003 42.030+0.002 102.1+0.1 23.954 +23.076

N

Fin 356.729+0.002 42.038+0.002 80.6+0.1 19.863 + 17.178

N

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FIGURAS Y FOTOGRAFÍAS

Figuras 1a y 1 b. Esquema general del obturador interno. Las dimensiones pueden ser variables en función del instrumento y del sistema óptico al que se desee acoplar. 1a) Vista lateral del montaje del obturador. 1 b) Vista cenital. Se distinguen las siguientes partes: 1 ) Objetivo, 2) Motor paso a paso, 3) aspa, 4) Eje rotor, 5) Rosca del objetivo, 6) Carcasa externa, 7) Detector CCD

Figura 2. Esquema general de Ia hélice interna (3) que genera las obturaciones. Nótese que en el modelo con 6 aspas Ia amplitud angular (β) entre aspas es de 30°. Las dimensiones de las aspas y el diámetro de Ia hélice (3) son variables en función del instrumento. En el prototipo mostrado en Ia Fig. 3 el diámetro d de Ia hélice (3) era de 15 cm. y Ia longitud a de cada aspa de 6.5 cm.

Figura 3. Vista cenital del prototipo de obturador construido para esta invención. Detalle de los componentes:

1. Objetivo

2. Motor paso a paso. 3. Hélice de seis aspas ubicada internamente. Las caras de las aspas han sido pulidas y medidas con un sistema estroboscópico para conseguir un ajuste exacto en el intervalo de corte entre cada aspa. (en DD, arriba) 4. Eje motor 5. Rosca de adaptación al objetivo.

6. Carcasa metálica contenedora.

7. Detector CCD

8. Cable de alimentación del motor paso a paso.

9. Cableado de control de Ia velocidad de giro.

Figura 4. Satélite descrito en el ejemplo #1. a) Parte de Ia imagen de todo el cielo tomada desde Ia estación 1. b) Ampliación de Ia ventana mostrada en el recuadro de a) donde aparece el rastro luminoso dejado por el satélite, c) Imagen tomada desde Ia estación #2. d) Reconstrucción de Ia trayectoria vista desde ambas estaciones en donde se aprecia Ia paralaje del satélite vista desde ambas estaciones. Teniendo en cuenta Ia geometría particular se puede determinar Ia distancia y altura del satélite sobre Ia superficie terrestre (Tabla 1 ).

Figura 5. Parte de una imagen de todo el cielo en Ia que se aprecia el trazo de Ia Estación Espacial Internacional (ISS) sobrevolando Ia estación #1. Al observarse próxima a Ia estación su trazo resulta más luminoso y Ia obturación del sistema es bien visible. La ISS sobrevoló Ia estación #1 el 7 de noviembre de 2007 poco antes de Ia salida del Sol. El punto luminoso en Ia parte inferior izquierda es el planeta Venus.

Figura 6. Imágenes de Ia bola de fuego descrita en el segundo ejemplo. Una pequeña ventana indica Ia posición del bólido en las imágenes CCD. a) Imagen del bólido visto desde Ia estación #1. b) Imagen desde Ia estación #2. c) Trayectoria del bólido desde ambas estaciones donde aparecen las principales constelaciones. Una vez realizada Ia astrometría de las imágenes Ia prolongación hacia atrás permite Ia determinación del punto radiante, d) Determinación de Ia trayectoria atmosférica y de su proyección en el suelo, e) Órbita heliocéntrica de Ia partícula. Se indican las órbitas de los planetas interiores y Ia posición de Ia Tierra en el momento de interceptar esta partícula interplanetaria.