ArtículosNúmero 9

Sistema RIO. Radar IR – Óptico para la teledetección en circulación real, de los vehículos grandes contaminadores

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Fernando López
LIR-Infrared Lab.
Departamento de Física
Universidad Carlos III de Madrid
lir.uc3m.es

Miguel A. Rodríguez
LIR-Infrared Lab.
Departamento de Física
Universidad Carlos III de Madrid
lir.uc3m.es

Francisco Cortés
Sensia Solutions.
Parque Científico Leganés Tecnológico. www.sensia-solutions.com

Resumen: Los grandes contaminadores o “high emitters” son un pequeña fracción del parque automovilístico de las grandes ciudades, en torno a un 5 %, pero son los responsables de la mayor parte de la contaminación del tráfico, más de un 70 % en determinados componentes, por lo que su identificación y exclusión de la circulación son claves para mantener la calidad del aire de nuestras ciudades. Describir la investigación de un sistema que permita detectar a distancia a esos grandes contaminadores en tránsito real, es el objeto de este artículo.

Se describen los fundamentos de un sistema de detección a distancia de esos vehículos, con capacidad para medir las concentraciones de los gases y partículas emitidos, en circulación real. Se basa en la variación de la señal que experimenta un haz infrarrojo (IR) emitido por una fuente óptica cuando interacciona con la pluma o nube de gases producidos por el vehículo.

El sistema se fundamenta en el concepto de imagen espectral infrarroja en el que la pluma de gases emitida por el vehículo al desplazarse se detecta y analiza mediante un sistema de imagen IR de carácter espectral, es decir, operando en las diferentes longitudes de onda a las que cada gas es sensible. El sistema se apoya en el profundo conocimiento científico de más de un siglo sobre espectroscopía IR de gases, realizada con instrumentación, basada en monodetectores IR, de no-imagen. Por otro lado, se refuerza con las técnicas de análisis más actuales como la imagen espectral IR, basadas en los denominados arrays de plano focal, con cientos de miles de fotodetectores que, además de formar imagen de la pluma, permiten una detección cuantitativa y cualitativa de los componentes gaseosos y de las partículas contenidas en la misma.

Se describen asimismo las bases del diseño de un prototipo de sensor basado en estos principios. En concreto, el aspecto clave de las longitudes de onda más adecuadas para los gases y las distribuciones de partículas a detectar.

Palabras clave: Teledetección Infrarroja de gases, imagen multiespectral, control de la contaminación. vehículos altamente contaminadores, detección en conducción real .

Abstract: High emitters account for a small fraction, around 5%, of vehicle fleet in large cities however they are responsible for most of the traffic pollution, more than 70% on certain compounds, so their identification and removal from transit is a key factor for improving air quality in our cities. The aim of this paper is to describe the research of an infrared imaging system to detect high emitters when passing, in real driving conditions.

Fundamentals of a system able to measure gas and particles in real driving conditions are described. It is based on the signal variation produced on an infrared (IR) beam emitted from an optical source when it interacts with the gas plume exhausted by the vehicle.

Infrared spectral imaging is the underlying concept, in which the gas plume is detected and analyzed by a spectral IR imaging system in the different wavelengths for which each gas is sensible. The system is based on the deep scientific knowledge, for more than one century, on IR spectroscopy of gases with traditional single detector, non-imaging, instruments. On the other side, it is reinforced by the latest analysis technologies such as spectral imaging, with hundreds of thousands of detectors in the focal plane. So, in addition to gas plume imaging, quantitative and qualitative gas and particle concentration contained therein is obtained.

The foundations of the design of a prototype sensor based on these principles are described too. In particular, the key issue of the appropriate IR wavelengths for the detection of gases and particles.

Keywords: Infrared remote gas sensing, multispectral imaging, air pollution control, high emitter vehicles, real driving conditions.

1.Introducción

Aunque este artículo está encargado y redactado, en su mayor parte, antes de que se conocieran los acontecimientos recientes sobre contaminación excesiva de determinados vehículos de una conocida marca de automóviles, es evidente que la necesidad de control de la contaminación en condiciones de marcha, a sus velocidades y cargas habituales, es imprescindible para un conocimiento científico y objetivo de las emisiones reales de los vehículos en circulación.

El control público de las emisiones reales es una potente arma de gestión en manos de los responsables del tráfico rodado que es, junto a la producción de electricidad, el mayor factor contaminante y el que provoca más muertes y enfermedades de todos los producidos por la contaminación del aire. La OMS, cifra en 7 millones las personas que mueren prematuramente al año en el mundo por el efecto de la contaminación y referencia que en España ha aumentado el número de cánceres de pulmón en un 8%, debido a esta misma causa [1]. Por su parte el MAGRAMA (www.magrama.gob.es) cifró en   16 000 las muertes anuales prematuras en España, agravadas por contaminación del aire.

Un pequeño porcentaje de la flota de vehículos es responsable de la mayor parte de las emisiones producidas por los automóviles [2]. Este hecho ha sido corroborado por diferentes estudios en diferentes países sobre todo en EE.UU. y la UE. Dependiendo del gas tóxico, entre el 80 % y el 90 % de la contaminación total producida por el tráfico rodado es debida a un 5% del total de los vehículos. Son los denominados “grandes contaminadores” o “high emitters” en terminología sajona.
Es un hecho observado que, a pesar de la reducción de las emisiones individuales de la mayoría de los nuevos vehículos que se incorporan al parque, no se observa una bajada proporcional de la contaminación global en determinados compuestos como los NOx [3]. Ello se debe precisamente a que los grandes contaminadores no disminuyen con la misma proporción que entran los nuevos sino que se mantienen para determinados usos, especialmente en el interior de las ciudades. Son, en general, vehículos mal mantenidos que suponen un alto porcentaje del global de la contaminación, sobre todo para determinados contaminantes muy peligrosos, como las partículas más pequeñas y los óxidos de nitrógeno.

Esta conclusión está avalada por gran número de medidas realizadas en diferentes condiciones y sobre un gran número de vehículos, sobre todo en los EE.UU. y Europa por sistemas de detección a distancia que además han demostrado en medidas recientes que las estimaciones de los inventarios deben ser cambiadas [4].

También los propios fabricantes de automóviles están objetivamente interesados en el control real de las emisiones de sus vehículos. Tanto por responsabilidad social de su marca, con la lógica preocupación por la “calidad emisora” de sus vehículos, como por razones de competitividad con las otras marcas, incluso para conocer puntos débiles y fuertes de sus competidores y de sí mismos.

En resumen, de los datos señalados se puede decir que sólo por medio de medidas en condiciones reales de marcha, como el sistema que se propone, y con una estadística suficientemente amplia, sería posible conocer con precisión las emisiones reales de los vehículos de un determinado parque de automóviles, distribuido por marcas, tipos de motor (diésel, gasolina), cilindrada, año de fabricación, condiciones climáticas, lugar geográfico y un largo etcétera. Esto es válido incluso frente a las medidas obtenidas con vehículos instrumentados (PEMS-Portable Emissions Measurement Systems) habitualmente utilizados para medidas oficiales, pero que no pueden reproducir los cuasi infinitos modos reales de conducción. Y esto afecta tanto a las autoridades responsables del tráfico y del control de la calidad del aire, como a los fabricantes de automóviles.

La posibilidad de que los responsables públicos de la calidad del aire puedan sacar de la circulación a ese pequeño porcentaje de vehículos grandes contaminadores es algo que puede revolucionar los modos de gestión de las crisis de contaminación y mejorar sustancialmente el aire que respiramos. La única posibilidad de los responsables actuales ante una crisis de contaminación es “sancionar” alternativamente al 50% de los conductores, por las denominadas políticas de “pico-y-placa” independientemente del grado de contaminación que generen, frente a una “gestión científica” de la crisis, mucho más justa y eficaz como la que se podría aplicar con este tipo de equipos. Por otro lado, las políticas de “premiar” a los vehículos con determinadas medidas anticontaminantes, aunque muy loables, no sirven para disminuir de forma eficiente la contaminación por tráfico, como ya se ha señalado, ya que con medidas inespecíficas los grandes contaminadores siguen circulando.

La denominación “radar” para el dispositivo es una “licencia científica” ya que no lo es ni por la frecuencia (ondas ópticas – micrométricas, en el sistema RIO frente a centimétricas en el radar) ni por su metodología de detección. No obstante, sí que es adecuado desde un punto de vista operativo, ya que es una onda electromagnética, en este caso óptica, la que interfiere con el objeto (gas) lo que da lugar a una señal detectable a distancia.

2. Fundamentos de la detección espectral de gases en el infrarrojo

Existen diversos principios y procedimientos sensores que permiten medir concentraciones de gases y que se implementan en diversos ámbitos: procesos industriales, sistemas de seguridad, protección del medio ambiente y otros. Algunos sensores, denominados de inmisión, necesitan estar en contacto directo con la muestra de gas. Emplean diferentes principios de medida, como por ejemplo los de óxido de estaño o similares basados en una reacción química, o los fotoacústicos, que requieren extraer una muestra del gas a medir de forma que exista una interacción con el elemento sensible a dicho gas [5]. La espectroscopía infrarroja aporta desde el principio una vía diferente: no se necesita contacto con el gas, sólo con un haz de luz IR. Con el avance de la tecnología óptica y de la imagen IR, ello da lugar a la teledetección de gases.

Los gases de molécula polar, que son la gran mayoría, poseen bandas de emisión / absorción en el IR que permiten su identificación y cuantificación al presentar una estructura espectral característica única que se denomina firma espectral. Dicha estructura se debe a los momentos vibra-rotacionales de los enlaces que componen la molécula del gas, de forma que existe una firma IR particular asociada a cada compuesto que puede emplearse para su identificación. Ejemplos típicos de compuestos con firma infrarroja son el vapor de agua, monóxido (CO) y dióxido de carbono (CO2), los hidrocarburos (CxHy), óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), Ozono (O3), Amoniaco (NH3), Hexafluoruro de azufre (SF6), …, entre otros muchos. En el caso de los principales gases de emisión de los vehículos, la firma espectral IR, expresada como coeficiente de absorción, se muestra en la figura 1.

Figura 1. Simulación cuantitativa de la firma espectral de los gases de emisión en las regiones del infrarrojo medio y térmico del espectro electromagnético, expresada en términos del coeficiente de absorción. Para cada gas, representa la potencia óptica que pierde un haz IR que avanza una unidad de camino óptico (cm) en una nube de ese gas al 100% de concentración. Es muy dependiente de la longitud de onda.

La ley de Beer-Lambert, conocida desde antiguo [6], relaciona la transmitancia espectral de una muestra de gas (relación de la intensidad óptica (W/m2) de un haz, tras atravesar una muestra de gas, frente a la intensidad incidente) con su concentración, absorción y camino óptico recorrido por el haz de luz. En su forma integral, y previa asunción de que la concentración se distribuye de forma uniforme a lo largo del camino óptico, presenta la siguiente expresión:

Donde Io e I representan la intensidad incidente y resultante tras atravesar el medio, respectivamente, tal y como se ilustra en la figura 2. El término α(T,ν) hace referencia al valor de la absortividad, muy dependiente de la temperatura T y la longitud de onda o su inversa la frecuencia espacial ν, mientras que c y l representan la concentración y el camino óptico atravesado por la radiación.

Figura 2. Ilustración de la ley de Beer-Lambert para la absorción de un medio homogéneo

Dada su dependencia con la concentración de un determinado gas, y de forma más generalizada, con el producto c·l (concentración x camino óptico), la transmitancia proporciona una vía para la cuantificación de la concentración del gas siempre que se disponga de la adecuada selección espectral y sea posible una medida de referencia.

Se puede comprobar de forma sencilla cómo una estimación experimental de la transmitancia puede relacionarse con la cantidad de gas presente en un medio, bien previa calibración experimental mediante celdas de gases, de White [7] u otras, bien a partir de modelos teóricos: bases de datos espectroscópicas como HITRAN [8].

A modo de ejemplo, es posible estimar la transmitancia espectral para los compuestos de interés en el caso de un vehículo gran contaminador. Para un espesor de pluma de 5 cm, y una distribución de concentraciones característica: 10 % de CO2, 10 % de H2O, 1 % de CO, 2000 ppm de HCs y 800 ppm de NOx. En la figura 3 se muestra la transmitancia espectral de cada gas en la pluma y la atmosférica para una distancia de observación de unos metros, donde se comprueba a partir de los valores obtenidos la viabilidad del principio de detección empleado.

Figura 3. La gráfica superior muestra el valor de la transmitancia espectral a partir de la ley de Beer-Lambert, mediante el uso de la base de datos HITRAN. Abajo se muestra la transmitancia atmosférica de un camino fuente-detector típico, que será determinante para la selección espectral y conformación de bandas de integración.

3. imagen espectral infrarroja aplicada a la detección y cuantificación de gases

Los fundamentos físicos descritos pueden ser convenientemente extendidos al uso de sistemas de imagen, sin más que considerar todos los caminos ópticos contenidos en el campo de visión que la óptica focaliza sobre el detector, un array de plano focal (FPA-focal plane array) con cientos de miles de detectores o incluso millones, que formará la imagen.El uso de un detector de imagen amplifica de forma notable las posibilidades frente al monodetector que no forma imagen. La posibilidad de analizar la escena en su conjunto proporciona una información mucho más rica al poder procesar con técnicas de imagen espectral unos píxeles frente a otros y todos ellos en función del tiempo y de la longitud de onda. Es decir, permite trabajar en un dominio espacio-temporal y espectral que multiplica las capacidades de detección del sistema, haciéndolo más preciso, fiable y más robusto frente a falsas alarmas y espurios.

En cuanto a la selección espectral, y previo conocimiento de la localización de las bandas de absorción de un determinado compuesto, se pueden emplear distintas estrategias que, en general, podemos clasificar en función de su efecto dispersivo o no, en términos espectrales, sobre la radiación medida. De forma que diferenciaremos los sistemas NDIR (“Non-dispersive InfraRed”) que típicamente se basan en la utilización de filtros ópticos de tipo interferencial frente a sistemas de carácter dispersivo basados en principios de interferometría o difracción. Dependiendo de la resolución espectral necesaria, nuestro nivel de exactitud y los requerimientos específicos de cada aplicación (tiempos de respuesta, robustez, complejidad,…) se seleccionará la estrategia más adecuada.

Figura 4. Ejemplo de la capacidad de un sistema de imagen para medir y calibrar simultáneamente en la misma escena, usando parte del detector par cada función.

La obtención de la transmitancia exige una medida de referencia del fondo sin gas o incluso, si se requiere mucha exactitud, con una pluma con concentración de gas conocida, que se sitúa en el camino óptico fuente emisora-detector. En la figura 4, se ilustra lo anterior para mostrar que un sistema de imagen permite utilizar parte de la escena para calibrar y parte para medir, todo ello de forma simultánea, incluso elegir la parte más conveniente de la escena para realizar la medida, lo que no pueden abordar los sistemas con monodetectores, es decir, sin formar imagen.

La ecuación de transferencia radiativa es la versión, para este problema, del principio de conservación de la energía y rige la transferencia de energía radiada entre la fuente y el detector, incluyendo los efectos de la región situada entre ambas. Describiendo los términos que intervienen en la ecuación en las dos situaciones que interesa considerar, medida y referencia, es decir presencia o no del gas en el camino óptico, se tienen las siguientes expresiones:

Donde Ldet representa la radiancia detectada, es decir, la densidad de potencia espectral por unidad de superficie y ángulo sólido que llega al detector, indicando el superíndice si es para referencia o para gas. LCN representa el mismo concepto pero como potencia emitida por el cuerpo negro (radiador perfecto) a la temperatura del gas o del fondo de referencia y donde la magnitud τgas está directamente relacionada con la concentración de cada gas a partir de la ley de Beer-Lambert.

La expresión anterior se puede reducir a la suma de dos términos, la radiancia de emisión y la debida a la absorción.

En la mayoría de las situaciones sólo uno de ambos es el predominante, de forma que podemos diferenciar dos principios de medida en función de qué término aporte la mayor cantidad de energía:

  • Modo activo: Es habitual cuando intentamos iluminar el gas de forma activa (mediante cuerpos negros o grises, láseres, LEDs…) o bien éste se encuentra muy frío. En general nos encontraremos en este modo cuando la temperatura del fondo sea suficientemente superior a la del propio gas.
  • Modo pasivo: Este término prevalece para temperaturas del gas suficientemente mayores que las del fondo (Tgas >>Tfondo). En general, este principio de medida será empleado cuando el gas que deseamos caracterizar se encuentra a temperaturas suficientemente elevadas para tener energía cuando alcance al detector. Son normales en procesos de combustión directa (llamas, procesos industriales y similares).

4. Propuesta para la teledetección de las emisiones procedentes del tráfico circulante mediante imagen espectral IR. Prototipo demostrador

Uno de los principales antecedentes del sistema propuesto es fruto de la participación del Laboratorio del Infrarrojo de la Universidad Carlos III de Madrid (LIR-UC3M) en un proyecto inicialmente financiado por el programa INNPACTO del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno Español, en el seno de un consorcio de empresas y grupos de investigación, a lo largo del periodo que abarca desde el año 2010 al 2013. Posteriormente, la investigación se ha continuado por el LIR-UC3M hasta la actualidad con medios propios, en colaboración con la empresa SENSIA Solutions, en el Proyecto RIO, cuyo fin es fabricar un prototipo operativo, basado en la metodología y tecnología investigadas previamente que se describen brevemente en este artículo.

En la fase inicial del proyecto se ha desarrollado una metodología adecuada para caracterizar las emisiones del tráfico y para identificar a los grandes contaminadores, utilizando para ello la instrumentación infrarroja disponible en el LIR-UC3M, primero en interiores, y posteriormente en entornos exteriores en los niveles de emisiones típicas del tráfico real.

A lo largo del proyecto se realizaron diferentes campañas de medida en las que se caracterizaron las emisiones en marcha de diferentes tipos de vehículos y condiciones de circulación. Asimismo se verificaron y optimizaron las capacidades del sistema propuesto, como son su implantación en vías con distintos carriles o los regímenes de funcionamiento de los vehículos a inspeccionar, mediante la selección de distintos enclaves geográficos (tal y como se muestra en la figura 5). Para ello se empleó un amplio abanico de instrumentación infrarroja de altas prestaciones, desde sistemas de transformada de Fourier FTIRs a sistemas de imagen hiperespectral, que permitieran una caracterización detallada de las emisiones para la validación de la tecnología.

Tanto las investigaciones previas como la amplia experimentación en campo produjeron como resultado el diseño de un prototipo demostrador basado en un sistema de imagen multiespectral infrarroja. Sistema que permite la medida a distancia de los principales gases presentes en las combustiones de hidrocarburos, esto es, dióxido y monóxido de carbono e hidrocarburos inquemados, aunque su funcionalidad podría extenderse a otros subproductos de interés como los óxidos de nitrógeno, partículas, amoniaco o ciertos óxidos de azufre y nitrógeno.

Figura 5. Ejemplo de campaña de medidas en una vía, mediante el uso de detectores IR de alta resolución espectral, tipo FTIR, en un emplazamiento con una vía de varios carriles.

En esta fase se ha procedido al diseño y fabricación, en función de los resultados de la investigación previa, de un prototipo demostrador mediante un sensor de imagen multiespectral IR basado en un sistema comercial, utilizando tecnología disponible en el laboratorio. Este sensor comercial fue modificado con la metodología COTS-Commercial-off-the-shelf, es decir introduciendo modificaciones en el sistema base, tanto software como hardware, para adaptarlo a los fines del proyecto, de forma que el prototipo pudo realizarse con medios más modestos. En concreto, una modificación hardware que incluye diferentes filtros interferenciales IR que permiten seleccionar las longitudes de onda adecuadas para los gases a detectar y para las referencias, mediante una rueda en la que los filtros giran a gran velocidad delante del detector FPA. La modificación software incluye básicamente una algoritmia de procesado de las imágenes multiespectrales (obtenidas a partir de los filtros interferenciales) que permite la detección cuantitativa de la concentración de gases.

Un ejemplo del sistema de detección se muestra en la figura 6, correspondiente a un sistema de imagen multiespectral que incorpora una rueda sincronizada de 6 a 8 filtros interferenciales que gira a gran velocidad (hasta 100 frames/s) situada entre el detector FPA y la óptica. Una adecuada selección espectral de los filtros para ajustarse a las bandas de los gases y una algoritmia con un software desarrollado específicamente, permite la medida cuantitativa de las concentraciones de los gases de los vehículos en circulación real.

Figura 6. Izquierda. Cámara IR provista de una rueda de filtros interferenciales seleccionados específicamente para gas y referencias, que gira a gran velocidad (derecha) seleccionando las longitudes de onda adecuadas.

5. El proyecto RIO

A continuación se describen algunos elementos de la propuesta de solución para el desarrollo de un prototipo operativo basado en las investigaciones y prototipos previos diseñados. El sistema se encuentra actualmente bajo solicitud de patente. En esta fase del proyecto se colabora muy activamente con la empresa SENSIA Solutions,www.sensia-solutions.com, spin-off del LIR-UC3M, promotor de esta investigación. Sensia se ha especializado en este tipo de sensores IR para aplicaciones específicas y además colaboró activamente en los trabajos del proyecto INNPACTO.

El sistema que se propone posee un importante grado de complejidad dado que tiene que responder a vehículos en uno o varios carriles, y está previsto que su aplicación abarque hasta operaciones de exteriores en modo automático y desatendido, por lo que tiene que cumplir estrictas normas de resistencia ambiental: variaciones muy extremas de temperatura y humedad, entre otras.

El sistema RIO está previsto que posea una serie de características que le permitan operar en diferentes condiciones y modos de trabajo, en aras a la brevedad, nos ceñiremos sólo a describir alguno de los aspectos más importantes desde el punto de vista científico y tecnológico como es la selección de las longitudes de onda para gases y partículas y los modos de operación.

5.1 Modos de operación. Detección individual

Es el modo habitual de trabajo, aunque hay varias formas de situar el emisor y el detector, la propuesta inicial es sobre pórtico. En este caso, el sistema sensor multiespectral se sitúa sobre el pórtico elevado mirando hacia abajo con un cierto ángulo dependiendo del entorno, altura y sobre todo del número de carriles a inspeccionar. El caso más simple que es el que se ilustra en la figura 7, enfocando sobre un solo carril. La fuente emisora se coloca mirando hacia arriba, en el interior de un foso bajo el pórtico, cubierto por un entramado (tramex) ancho que permite el paso cuasi libre del haz IR. Un sistema de diseño propio mantiene la fuente con la suficiente limpieza para una medida adecuada, aunque variaciones de transmitancia son admitidas por el sistema por medir siempre contra una referencia en un camino óptico idéntico.

Otro modo alternativo consiste en disponer en lo alto del pórtico tanto la fuente emisora como el sistema detector, situando sobre el suelo un espejo metálico protegido también por un tramex.

Otras versiones son más clásicas y miden en horizontal y a través de la vía en vez de arriba-abajo. En este caso la fuente emisora se coloca a un lado de la vía y el detector al otro. Tiene algunas ventajas como la facilidad para mantener más limpia la fuente pero también inconvenientes relativos a la interferencia de vehículos circulando simultáneamente por otros carriles, lo que impide su uso en vías multicarril con tráfico denso. En su fase final, el sistema incorpora una cámara rápida de visible para fotografiar la placa del vehículo.

Figura 7. lustración del sistema RIO en el modo de detección individual, sobre pórtico, para la detección en circulación de vehículos grandes contaminadores.

5.2.Modos de operación. Monitorización de vías

En esencia, el sistema mantiene los mismos principios pero no busca una detección en tiempo real sobre los vehículos al paso, sino que monitoriza el ancho de una vía entera, en forma continuada, con objeto de determinar el flujo de emisiones que esa vía produce en función de diferentes parámetros, como el número de vehículos, la estación, los rangos horarios y otros. Existe la posibilidad de monitorizar gases secundarios aunque de gran interés ambiental y epidemiológico como el ozono antropogénico producido por el tráfico y su efecto sobre los NOx. Una de las capacidades de este modo de operación del sensor consiste en realizar estudios estadísticos y otros para determinar vías vectores de la contaminación, efectos de la velocidad media de los vehículos sobre la emisión de contaminantes, y otros como los efectos de la temperatura, la humedad relativa o la actividad solar incidiendo sobre los contaminantes emitidos por los vehículos

5.3 Selección espectral. Longitudes de onda de operación

La selección de longitudes de onda y la intensidad de señal esperada definen la tecnología del detector FPA necesaria, desde la no refrigerada y de banda ancha, hasta una crio-refrigerada y de banda más estrecha, delimitando las prestaciones globales del sistema.
La banda del CO2 es clave porque proporciona, a través de su imagen IR, los datos geométricos que van a permitir, mediante técnicas de procesado de imagen, determinar cuantitativamente el tamaño de la “anomalía” o pluma de exceso de gas asignada a un vehículo al paso, así como la concentración absoluta de CO2 como gas de referencia. En nuestro caso la banda IR para el dióxido de carbono-CO2 es la centrada en 4,3 µm. La concentración de CO2 aporta el dato base respecto al cual se cuantifican el resto de gases, que se miden de forma relativa mediante parámetros ópticos directos, básicamente la trasmitancia óptica espectral.
Además del CO2, son de interés y presentan bandas de absorción, como ya se ha señalado, el monóxido de carbono CO y los hidrocarburos HCs, bien inquemados o bien subproductos de la combustión, también denominados VOCs (Volatile Organic Compounds). Para el CO la banda más adecuada es la centrada en torno a 4,7 µm, véanse las figuras 1 y 4. Los hidrocarburos poseen bandas en diferentes zonas del espectro IR. En nuestro caso, la detección se producirá en la banda centrada en torno a 3,4 µm. Otros gases producidos y expulsados directamente al exterior, en determinadas condiciones o subproductos por reacciones con terceros, también se detectarían en el IR pero en otras bandas. Por ejemplo, el dióxido de azufre SO2 que aunque dejó de ser un grave problema con el desulfurado de los combustibles, sigue emitiéndose sobre todo en determinados países o zonas, lo que puede estar relacionado con malas desulfuraciones en combustibles baratos o expedidos sin control y sobre todo en el tráfico marítimo. La banda de SO2 para la medida adecuada es la centrada en 7,35 µm.

El amoniaco NH3 o el ozono O3 son también subproductos de la combustión o están presentes en la atmósfera en pequeñas cantidades. Además de sus efectos nocivos en sí mismos, también influyen en activar la química de otros gases emitidos como los NOx. Estos gases no se detectan en la fase actual del prototipo pero serían incorporados más adelante, de forma natural. Sus bandas están centradas en 7,8 µm para el amoniaco y en 8,5 µm para el ozono.

Mención aparte merecen los óxidos de nitrógeno (NO2 y NO), que se agrupan habitualmente como NOx, dada la dificultad de detectarlos separadamente [9]. Su importancia radica en que además de ser precursores importantes de la lluvia ácida, smog y otros efectos son, junto a las pequeñas partículas, actualmente los más nocivos para la salud de los producidos por el tráfico, además de su contribución al efecto invernadero. Su química es muy compleja, combinándose y recombinándose entre sí, en presencia de O3 o peróxidos con el concurso de fotones provenientes de la luz solar.

En la concepción del prototipo propuesto, estos gases poseen bandas importantes en el IR medio. En concreto en la banda centrada en 5,3 µm para el NO y en 6,2 µm para el NO2. Por lo tanto, desde un punto de vista teórico pueden estar incorporados como parte del sistema multiespectral con el resto de gases y las partículas. No obstante, en el prototipo inicial se incluye la detección sólo del NO2. Pero, dada la importancia de este gas hoy en día y la polémica sobre su formación y cómo disminuirlo, está previsto la detección redundante y que ambos gases puedan detectarse también en línea, sin imagen y fuera de las bandas IR. Para ello se utilizarían las bandas de absorción en el UV, bien descritas en la literatura científica y con sensores comerciales bien establecidos [10].

5.4. Partículas

Las partículas son una de las emisiones más perjudiciales emitidas por los vehículos. Son producidas por el hollín debido, entre otros, al carbono inquemado. Es junto a los NOx causa central de la lluvia ácida por lo que su efecto sobre la salud es de primera importancia.

La detección de partículas se hace habitualmente por la extinción que producen sobre la señal emitida por una fuente óptica[11]. A diferencia de los gases, donde el mecanismo de detección es la extinción por absorción, las partículas se detectan a través del scattering o dispersión direccional de la luz en todas direcciones, que hace que sólo parte de la señal emitida llegue al detector. La señal de “scattering” presenta una dependencia espectral alta con la distribución del tamaño de las partículas. A diferencia de los gases, es continua con la longitud de onda, y presenta un máximo cuando coincide con el tamaño de la partícula, en el que predomina el “scattering Mie” y es máxima la sección eficaz. El otro mecanismo es la absorción, de manera similar a como actúan los gases, que no se utilizará en nuestro caso.

A efectos de que la banda de medida de partículas no interfiera con una de gases se ha escogido una banda en torno a 3,9 µm. Una opción complementaria sería usar una segunda longitud de onda para implementar un procesado bi-espectral para la recuperación de la concentración y tamaño medio de las partículas. Se trataría de añadir una longitud de onda en el UV, en torno a 300 nm o 350 nm, a determinar, de forma tal que la gran diferencia de longitudes de onda (> 10 veces una respecto de la otra) permitiría una recuperación de datos, tanto de concentración como de tamaño, con una alta precisión.

6. Conclusiones

El Laboratorio del Infrarrojo de la Universidad Carlos III de Madrid (LIR-UC3M) viene desarrollando desde hace varios años una línea de investigación cuyo fin es la caracterización a distancia y al paso de la contaminación producida por los vehículos denominados grandes contaminadores o high emitters.

Para ello el LIR-UC3M ha generado una metodología basada en la detección espectral, mediante la imagen IR. De forma que, a partir de cámaras IR disponibles en el laboratorio, dotadas de selección espectral, ha sido posible desarrollar un prototipo demostrador, con la metodología COTS-Commercial-off-the shelf, que ha permitido verificar y validar la metodología y tecnología propuestas, sobre vehículos reales.

Por último, con el apoyo de la empresa Sensia Solutions, se está en fase de desarrollo de un prototipo operativo del Sistema RIO-Radar IR y Óptico, multiespectral, al objeto de ser instalado en diferentes vías y evaluar su funcionamiento, como paso previo a un desarrollo y fabricación industrial.

Hasta el momento los compuestos como el CO2, el CO, y los HCs, NO2 así como las partículas de los vehículos definidos como grandes contaminadores, pueden ser detectados al paso y a distancias de varios metros, lo que permitiría ser instalados en pórticos de vías y autovías. El objetivo es desarrollar un sistema totalmente infrarrojo de alta fiabilidad, sin partes móviles y económico en su fabricación en serie.

Agradecimientos
Los trabajos descritos fueron financiados parcialmente por el Ministerio de Ciencía e Innovación, MICINN de España con cargo al Proyecto “INNPACTO. Creación de un sistema multicarril de detección de emisiones del tráfico circulante”. IPT-310000-2010-031

Referencias

[1]«WHO | Ambient and household air pollution and health», WHO. [En línea]. Disponible en: http://www.who.int/phe/health_topics/outdoorair/databases/en/. [Accedido: 11-nov-2015].

[2]McClintock, P., «2007 High Emitter Remote Sensing Project», 2007.
[3]«The contribution of transport to air quality – Política y protección del medio ambiente – EU Bookshop». [En línea]. Disponible en: http://bookshop.europa.eu/es/the-contribution-of-transport-to-air-quality-pbTHAL12010/. [Accedido: 11-nov-2015].

[4]D. G. Rhys-Tyler, «Remote sensing of NO2 exhaust emissions from road vehicles», 2013.

[5]G. Korotcenkov, Handbook of Gas Sensor Materials: Properties, Advantages and Shortcomings for Applications Volume 1: Conventional Approaches. New York, NY: Springer New York, 2013.

[6]J. C. Poggendorff, Annalen der Physik. J.A. Barth, 1852.

[7]J. U. White, «Long Optical Paths of Large Aperture», J. Opt. Soc. Am., vol. 32, n.o 5, p. 285, may 1942.

[8]L. S. Rothmanet al. «The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database», J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., vol. 110, n.o 9-10, pp. 533-572, 2009.

[9]R. Kurtenbach, J. Kleffmann, A. Niedojadlo, y P. Wiesen, «Primary NO2 emissions and their impact on air quality in traffic environments in Germany», Environ. Sci. Eur., vol. 24, n.o 1, pp. 1-8, jun. 2012.

[10]D. A. Burgard, T. R. Dalton, G. A. Bishop, J. R. Starkey, y D. H. Stedman, «Nitrogen dioxide, sulfur dioxide, and ammonia detector for remote sensing of vehicle emissions», Rev. Sci. Instrum., vol. 77, n.o 1, p. 014101, 2006.

[11]F. Cortés, A. González, A. Llopis, A. J. de Castro, J. Meléndez, y F. López, «Spectral Integrated Infrared Filter for the Martian Airborne Dust Sensor of the MetNet Space Mission», Nanosci.Nanotechnol. Lett., vol. 5, n.o 1, pp. 63-66, ene. 2013.

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