DETECTOR A DISTANCIA DE SUSTANCIAS FLUORESCENTES

Objeto de la invención

El objeto de protección es un instrumento detector a distancia de sustancias fluorescentes, que localiza sustancias fluorescentes a distancias , medias, aproximadamente entre 10 y 5Om, identifica el tipo de sustancias fluorescentes que localiza, está dotado de un movimiento que permite hacer una exploración sistemática de un área prefijada en el caso de que el instrumento se sitúe sobre un punto fijo del terreno, o hacer una exploración de una franja del terreno en el caso de que el instrumento se coloque sobre una plataforma móvil (coche o barco), y presenta un mapa de Ia zona explorada, indicando posición de las sustancias localizadas e identificándolas por distinto color sobre el mapa _> así como el momento de Ia localización.

Campo de Ia invención.

El campo de Ia invención está referido al uso del espectro electromagnético de fluorescencia para Ia localización' e identificación a distancia de sustancias fluorescentes en medios acuáticos (mares, lagos, pantanos, ríos....), y zonas costeras, así como el uso del espectro electromagnético de fluorescencia para Ia localización e identificación de sustancias fluorescentes en otros medios.

Antecedentes de Ia invención.

Los fluorímetros son instrumentos, suficientemente conocidos, que permiten Ia obtención del espectro de fluorescencia de cualquier sustancia que se coloque en el receptáculo que para tal fin tienen estos instrumentos comerciales.

Hay también otros instrumentos que utilizan Ia tecnología láser para localizar Ia presencia de sustancias con capacidad de dar una respuesta de fluorescencia, como puede verse en el libro titulado "Láser Remote Sensing: Fundamentáis and Applications", de Raymond M. Measures, y editado por Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, en 1984, con ISBN 0-89464-619-2. Estos instrumentos permiten Ia localización e identificación de sustancias a distancia, tales como partículas de plomo en Ia salida de humos de fábricas, o de hidrocarburos en medios acuáticos.

En estos y otros documentos se muestran instrumentos basados en técnicas de fluorescencia capaces de localizar sustancias a distancias grandes (Fluorodetectores), normalmente desde un avión, por Io que los emisores de luz láser

que utilizan para provocar Ia fluorescencia suelen ser muy potentes y, además, los dispositivos de recepción han de ser grandes y los sistemas de obtención del espectro bastante sofisticados. Esto hace que el instrumento sea complejo, pesado, voluminoso, y de coste elevado, siendo necesario utilizar vehículos grandes, o especialmente diseñados para su transporte.

Existen también, instrumentos de pequeño tamaño, colocados en boyas para su uso en medios acuáticos, que analizan Ia fluorescencia del agua que pasa por su interior mediante técnicas similares a las de un fluorírηetro. Estas boyas permiten identificar Ia presencia de sustancias fluorescentes cuya existencia se desea confirmar. Tal es el caso de Ia 'patente US 5,461 ,236, de H. R Gram, MP Jadamec y J.W. Johnson, titulada "OiI spill detection system", que además proporciona una identificación en tiempo real, Io que permite activar alarmas.

Otros instrumentos basados en esta técnica han sido diseñados y fabricados para diferentes usos y aplicaciones. Sin embargo, al hacer una búsqueda bibliográfica no se ha encontrado un instrumento que fuera versátil, fácil de transportar y que, si bien no fuera apto para detectar a grandes distancias, permitiera detectar sustancias fluorescentes a distancias medias (entre 10 y 50 metros), ni dotado de movimiento que permitiera hacer una búsqueda automática de Ia zona, bien desde una posición fija sobre el terreno, bien anclado sobre una plataforma móvil como un coche o un barco de vigilancia de pequeño calado. Todas esas circunstancias, reunidas en un instrumento facilitarían Ia localización e identificación de sustancias fluorescentes en áreas de interés tales como zonas costeras, Ia bocana de una bahía o puerto, cuencas de ríos, o zonas de referencia en lagunas o pantanos.

Descripción de Ia invención.

El sistema de detección de sustancias fluorescentes tal que permita Ia localización de sustancias fluorescentes a media distancia que comprende, al menos:

(a) unos medios emisores láser, tal que emitan en Ia banda adecuada para Ia producción de fluorescencias en Ia familia de sustancias a localizar; (b) unos medios de recepción óptica a distancia;

(c) unos medios de análisis de Ia banda espectral de fluorescencia de las sustancias a localizar;

(d) unos medios de conexión o acoplamiento entre los medios de recepción óptica a distancia y los de análisis de Ia banda espectral de fluorescencia, de tal forma

que no se produzcan pérdidas significativas de Ia señal captada y pueda ser analizada en los medios de análisis espectral;

(e) unos medios de control que controlan a los medios de emisión láser, los medios de análisis espectral y en general a todos los actuadores del sistema. Dichos medios de control recibirán información de todos los sensores del sistema, como pueden ser un receptor GPS, los sensores de actitud del vehículo transportador y los de apuntamiento; y

(f) unos medios de procesamiento y presentación de datos que recibe información suministrada por los medios de análisis espectral y de los medios de control. Las funciones básicas de los medios de procesamiento son Ia eliminación del ruido ambiental, Ia identificación de las sustancias a partir del espectro obtenido, y Ia presentación visual de los resultados. de tal forma que los medios de control habilitan Ia sincronización entre los medios de emisión láser y los medios de análisis espectral, habilitando Ia adquisición secuencial y el almacenamiento de los espectros de fluorescencia; y donde, además, los medios emisores láser y los medios de recepción óptica a distancia están alineados, de tal forma que los medios de recepción óptica puedan apuntar al punto de observación deseado, y que éste siempre coincida con el punto donde incide el emisor láser inductor de Ia fluorescencia. y donde, además, los medios de control habilitan Ia eliminación de ruido entrelazada y, además controlan el movimiento para variar el apuntamiento, permitiendo Ia exploración.

En un segundo aspecto de Ia invención, el método de detección de sustancias fluorescentes comprende, al menos, las siguientes etapas: (i) una primera etapa de generación de un haz láser;

(ii) una segunda etapa de captaciones periódicas de Ia zona del espectro donde se produce Ia fluorescencia de las sustancias a localizar;

(iii) una tercera etapa de eliminación del ruido ambiental basada en Ia diferencia entre una captación con estimulación láser, conteniendo Ia respuesta más el ruido, y otra captación sin estimulación láser, conteniendo solamente el ruido, y donde ambas captaciones son consecutivas y separadas un tiempo mínimo, con el fin de que el ruido sea esencialmente similar en ambas captaciones.

(iv) una cuarta etapa de comparación entre el espectro capturado en Ia tercera etapa y los existentes en Ia base de datos propia de los medios de procesamiento,

donde, además, este procedimiento se realiza de forma automática cada vez que se reconoce Ia presencia de una sustancia fluorescente;

Lo que se denomina "sistema diferencial de eliminación de ruido" consiste en hacer una captación con láser y otra sin láser. Cada captación puede integrar una ráfaga de varios pulsos para obtener más señal. Cuando se hace una captación emitiendo láser, se obtiene Ia señal de fluorescencia más el ruido. Cuando se hace una captación sin disparar el láser, sólo se recibe ruido. Si ambas captaciones tienen Ia misma duración y están próximas en el tiempo, el ruido ha de ser similar. Por consiguiente, haciendo la diferencia entre Ia captación con láser y Ia captación sin láser se obtiene Ia señal de fluorescencia sin ruido. El procedimiento, se basa en que si las dos captaciones son muy próximas en el tiempo, el ruido habrá variado muy poco entre una captación y otra, con Io que el ruido de ambas captaciones será muy similar.

El procedimiento entrelazado consiste en intercalar ambas captaciones y sólo permitir Ia entrada de señal durante los periodos de tiempo en los que hay fluorescencia.

De acuerdo con esta explicación, Ia tercera etapa de eliminación de ruido comprende las siguientes subetapas:

(a) una primera sub-etapa de aumento de Ia señal captada, integrando Ia señal resultante de varios pulsos láser;

(b) una segunda sub-etapa de integración de captaciones entrelazadas en el tiempo, estimulando con un pulso láser e integrando Ia respuesta durante el tiempo mínimo que permita Ia captación de toda Ia fluorescencia, es decir, éste tiempo debe ser superior a Ia duración de Ia emisión de Ia fluorescencia de cualquiera de las sustancias detectables posibles;

(c) una tercera sub-etapa de integración de Ia captación del espectrómetro sin Ia estimulación del láser durante un tiempo igual al de Ia segunda sub-etapa, donde dicha integración se realiza con el signo opuesto; donde al final de Ia tercera sub-etapa se repetiría Ia segunda sub- etapa sobre Io acumulado y así sucesivamente; y

(v) una quinta etapa de medida de apuntamiento, actitud y posición, así como análisis, integración y presentación de resultados, tal que permita definir Ia abertura del movimiento de vaivén, así como introducir los parámetros necesarios para el

control e identificación del proceso de localización de sustancias fluorescentes, presentando los resultados en una pantalla en Ia que se presentan los puntos de muestreo sobre un mapa de zona, según avanza el muestreo, almacenando los datos referentes al espectro de fluorescencia, los datos de posición, orientación y momento procedentes de los medios sensores y GPS.

La medida de Ia actitud es poder conocer Ia situación de los tres ejes del vehículo que transporta el instrumento, durante todo el tiempo que dura Ia operación de captura de información, ya que esto es determinante para saber a qué punto está mirando el instrumento. Con Ia medida de Ia posición sucede otro tanto. El sistema y método así descrito tiene las siguientes características ventajosas respecto del actual estado de Ia técnica.

Localiza e identifica sustancias fluorescentes a unas distancias comprendidas aproximadamente entre los 10 y los 50 metros. Tiene capacidad de movimiento, bien del sistema entero, bien de ún espejo deflector, que permita realizar una exploración sistemática de un área prefijada en el caso de que el instrumento se sitúe en un punto fijo del terreno, o bien hacer una exploración de una franja del terreno en el caso de que el instrumento se coloque sobre una plataforma móvil, por ejemplo, un coche, un barco o un vehículo aéreo no tripulado de vuelo bajo. - Presenta un mapa de Ia zona explorada, indicando Ia posición de las sustancias localizadas e identificándolas por distinto color sobre el mapa, así como el momento de Ia localización.

Breve descripción de las figuras. A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor Ia invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

FIGURAS 1A, 1B y 1C- Diagrama de bloques del sistema de detección de sustancias fluorescentes, objeto de Ia presente invención.

FIGURA 2.- Diagrama del procedimiento de eliminación de ruido entrelazado.

FIGURA 3.- Gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención, para una muestra de gasóleo A, antes de eliminar el ruido procedente de Ia luz ambiental.

- Q -

FIGURA 4.- Gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención, para una muestra de gasóleo A ₁ después de eliminar el ruido procedente de Ia luz ambiental.

FIGURA 5.- Gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención para una muestra de crudo Norne, en las mismas condiciones que Ia figura 3.

FIGURA 6.- Esquema de Ia compactación del equipo para hacerlo fácil de transportar, y del sistema de alineamiento,, donde por simplicidad no se ha representado el espejo deflector. •

Realización preferente de Ia invención. ^

Tal y como puede observarse en Ia Figuras 1A y 1B el sistema de detección de sustancias fluorescentes tal que permita Ia localización de sustancias fluorescentes a media distancia comprende, al menos: (a) unos medios emisores láser (1 ), tal que emitan en Ia banda adecuada para

Ia producción de fluorescencias en Ia familia de sustancias a localizar;

(b) unos medios de recepción óptica a distancia (2); ^¡

(c) unos medios de análisis de Ia banda espectral de fluorescencia (4) de las sustancias a localizar; (d) unos medios de conexión o acoplamiento (3) entre los medios de recepción óptica a distancia (2) y los medios de análisis de Ia banda espectral de fluorescencia (4), de tal forma que no se produzcan pérdidas significativas de Ia señal captada en (2) y pueda ser analizada en los medios de análisis espectral (4);

(e) unos medios de control (5) que controlan a los medios de emisión láser (1), los medios de análisis espectral (2) y en general a todos los actuadores del sistema.

Dichos medios de control recibirán información de todos los sensores del sistema (6), como pueden ser un receptor GPS, los sensores de actitud del vehículo transportador y los de apuntamiento; y

(f) unos medios de procesamiento y presentación de datos (7) que recibe información suministrada por los medios de análisis espectral (4) y de los medios de control (5). Las funciones básicas de los medios de procesamiento son Ia eliminación del ruido ambiental (71), Ia identificación de las sustancias a partir del espectro obtenido (73), y Ia presentación visual de los resultados (74).

Los medios de control (5) habilitan Ia sincronización entre los medios de emisión (1) y los medios de análisis espectral (4), habilitando Ia adquisición secuencial

y el almacenamiento de los espectros de fluorescencia. Los medios emisores láser (1) y los medios de recepción óptica a distancia (2) están alineados, de tal forma que los medios de recepción óptica (2) puedan apuntar al punto de observación deseado, y que éste siempre coincida con el punto donde incide el emisor láser inductor de Ia fluorescencia. Los medios de control habilitan Ia eliminación de ruido entrelazada y, además controlan el movimiento para variar el apuntamiento, permitiendo Ia exploración.

En el bloque 6 se engloban todos los sensores (incluyendo el GPS) y actuadores, entre los que figuran los motores para el movimiento en uno o dos ejes. De forma que los medios de control (5) también controlan ese movimiento.

Tanto el sistema de apuntamiento como Ia alineación se encuentran representados en Ia Figura 1C. Un pequeño espejo sitúa el eje de emisión del láser en coincidencia con el eje de captación del telescopio (medios de recepción óptica (2)), consiguiendo el pretendido alineamiento. Un segundo espejo más grande redirige ese eje hacia el punto que se desea observar. Este espejo sería basculante en uno o dos ejes. Cuando el instrumento va a bordo de un vehículo, el espejo tendría un solo eje que haría bascular el espejo en sentido transversal a Ia trayectoria con el fin de poder explorar una franja del terreno, a medida que el vehículo se desplaza.

Los medios de observación a distancia (2) comprenden, al menos un telescopio al que se acopla un colimador (3), tal que canalice Ia señal recibida hacia los medios de análisis espectral con el mínimo de pérdidas de señal. Este acoplamiento (3) se puede realizar mediante fibra óptica o de forma directa. En cualquiera de los casos es necesario el colimador: en el caso de Ia fibra porque es necesario concentrar e introducir toda Ia señal en el pequeño núcleo de Ia fibra y en el caso del acoplamiento directo, porque hay que concentrar Ia señal en Ia rendija de entrada de los medios de análisis espectral (4).

Los medios de análisis de Ia banda espectral de fluorescencia (4) comprenden, al menos, un espectrómetro.

Los medios de control (5) actúan sobre, al menos: (a) medios de eliminación de ruido ambiental (71);

(b) medios de control de movimiento en uno o dos ejes;

(c) medios de procesamiento de datos (7) e identificación de espectros (73) en una base de datos (72) y presentación de resultados (74) en un mapa, comprendiendo además medios de aviso e indicación en una pantalla Ia presencia de un espectro reconocible de fluorescencia.

Los medios de procesamiento de datos (7) comparan las trazas fluorescentes existentes e identificando, por comparación con las trazas de Ia base de datos (72), Ia sustancia que produce Ia fluorescencia.

El sistema además comprende un sistema de medida de apuntamiento, actitud y GPS (6) conectado con los medios de control (5) de tal forma que en Ia presentación de resultados en Ia pantalla (74), las trazas sean localizadas en un mapa por sus coordenadas.

Los medios de control de movimiento en uno o dos ejes comprenden un sistema mecánico dotado de una plataforma giratoria que proporciona un movimiento según uno o dos ejes de giro, a Ia que se acopla el instrumento de reconocimiento de sustancias fluorescentes o bien un espejo deflector.

Todos los componentes del sistema están contenidos en una sola carcasa y, en Ia posición de manejo, los primeros medios emisores láser y los segundos medios de recepción óptica a distancia quedan a una cierta altura sobre el suelo Para el reconocimiento, el instrumento objeto de protección, genera un haz láser y, mediante óptica telescópica y un espectrómetro, realiza captaciones periódicas de Ia zona del espectro donde se produce Ia fluorescencia de las sustancias a localizar. En caso de que aparezca una traza, se interpreta que se debe a Ia presencia de una sustancia fluorescente. Para Ia identificación, el instrumento compara el espectro capturado en Ia etapa de reconocimiento, con los existentes en Ia base de datos instalada en el instrumento. Este proceso se realiza de forma automática cada vez que reconoce Ia presencia de una sustancia fluorescente, con Io que su identificación se obtiene en tiempo real.

Dado que Ia respuesta de fluorescencia de Ia mayor parte de las sustancias de interés se encuentra en su mayor parte en Ia parte visible del espectro electromagnético, Ia luz ambiental (ruido a efectos de captación) puede llegar a enmascarar Ia señal de fluorescencia. Para evitar estos efectos adversos, se implementa un sistema de eliminación de ruido basado en Ia diferencia entre una captación con estimulación láser (que contendrá Ia respuesta más el ruido) y otra captación sin estimulación láser (que contendrá solamente el ruido). Ambas captaciones han de ser consecutivas y separadas en el tiempo sólo Io mínimo, con el fin de que el ruido sea esencialmente el mismo en las dos captaciones. Como se ve en Ia Figura 2, en Ia ráfaga de captación se entrelaza un intervalo de captación con láser y otro sin láser pero, además, Ia captación con o sin láser se realiza durante el tiempo necesario para que entre Ia señal de fluorescencia, interrumpiéndose durante el resto

del tiempo, de forma que no siga entrando ruido cuando no hay señal. Si se tiene en cuenta que el tiempo entre los pulsos del láser es muchísimo mayor que el tiempo durante el que aparece Ia fluorescencia (típicamente 20 milisegundos frente a unos 100 nanosegundos), se concluye en que Ia mejora en Ia eliminación de ruido es sustancial. En Ia figura no se ha guardado esa relación de tiempos tan marcada, para poder visualizar los intervalos de captación, etc.

Como se ve en dicha Figura 2, en el intervalo de captación después del láser se suma Ia señal captada, mientras que en el siguiente se resta. Como el segundo intervalo sólo contiene ruido el resultado de las dos captaciones es Ia señal de fluorescencia limpia de ruido. No obstante, como Ia señal recibida es débil, conviene acumular los resultados de varios pulsos láser consecutivos.

El sincronismo entre el disparo del láser y los intervalos de captación, así como las acumulaciones de señal, es completamente necesario ya que hay que ajustar los intervalos a los tiempos de emisión de fluorescencia. Puesto que para aumentar el nivel de señal captada es necesario que el espectrómetro integre Ia señal resultante de varios pulsos láser, el procedimiento consistirá en Ia integración de captaciones entrelazadas en el tiempo, es decir, estimular con un pulso láser e integrar Ia respuesta durante el mínimo tiempo que permita el espectrómetro siempre que éste sea superior al tiempo de emisión de fluorescencia; inmediatamente después, integrar sobre Ia integración anterior pero con el signo opuesto Ia captación del espectrómetro sin Ia estimulación del láser durante un tiempo equivalente; a continuación, se volvería a integrar sobre Io acumulado una nueva respuesta a| láser y así sucesivamente. Para ello es necesario sustituir el software suministrado por el fabricante del espectrómetro por otro de elaboración propia de los inventores que tenga Ia capacidad de efectuar el proceso descrito. Igualmente, es necesario sincronizar Ia respuesta al láser con el tiempo de captación. A este sistema Ie denominaremos sistema entrelazado de eliminación de ruido.

El movimiento de vaivén se obtiene mediante un sistema mecánico dotado de una plataforma giratoria que proporciona un movimiento según uno o dos ejes de giro, a Ia que se acopla el instrumento de reconocimiento de sustancias fluorescentes o un espejo deflector. De este modo se puede explorar de forma continua o periódica, una línea de longitud determinada, como Ia transversal de un río, Ia bocana de una zona portuaria, o un área de referencia definida en un canal de transvase de agua o un embalse o pantano.

Un sistema software de control de procesos y manejo del instrumento permite definir el movimiento, así como introducir las características o parámetros necesarios para el control e identificación del proceso o campaña de localización de sustancias fluorescentes a realizar con el instrumento (lugar, fecha y características de Ia zona en exploración, entre otras). Cuando el instrumento se coloca sobre una plataforma móvil, Ia periodicidad en Ia adquisición de espectros (predefinida al inicio del proceso), y Ia velocidad de avance de Ia plataforma, determinan Ia resolución del muestreo.

Para Ia presentación de resultados, el instrumento está dotado de una pantalla en Ia que se presentan los puntos de muestreo sobre un mapa de Ia zona, según se vaya realizando el muestreo. Pa,ra ello el instrumento almacena junto con el espectro de fluorescencia, los datos de posición, orientación y momento procedentes de un sistema de medida de apuntamiento, actitud y GPS dotado de brújula electrónica, incorporado al instrumento.

En un ejemplo práctico de aplicación del sistema, el acoplamiento o conexión entre el telescopio y el espectrómetro se hace mediante una lente convergente en el interior de un tubo que se adapta a Ia salida del telescopio dispuesta para el acoplamiento de una cámara fotográfica. Dicho tubo lleva en el extremo opuesto al telescopio, una tapa con un conector FC para fibra óptica y posicionador XY del mismo. Entre mecanismo de enfoque del telescopio, Ia traslación de Ia lente en el tubo, y el posicionador, hay que conseguir que Ia mayor parte de Ia radiación captada por el telescopio se concentre en Ia entrada de Ia fibra óptica, bajo un ángulo pequeño con el fin de que Ia mayor parte de Ia radiación llegue al espectrómetro. El diámetro del núcleo de Ia fibra óptica a utilizar es de entre 600μ y 1mm.

La Figura 3 muestra una gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención, para una muestra de gasóleo A, antes de eliminar el ruido procedente de Ia luz ambiental.

La Figura 4 muestra una gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención, para una muestra de gasóleo A, después de eliminar el ruido procedente de Ia luz ambiental. La Figura 5 muestra una gráfica representativa de Ia traza del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de Ia invención para una muestra de crudo Norne, en las mismas condiciones que Ia figura 3.

La Figura 6 representa un esquema de Ia compactación del equipo para hacerlo fácil de transportar, y del sistema de alineamiento.