ES2220892T3 - Sistema de vigilancia del trafico rodado. - Google Patents

Abstract

Un sistema para la supervisión del tráfico, el cual comprende al menos una estación de sensor y un sistema de interrogación interferométrico; en el cual la al menos una estación de sensor comprende al menos un sensor de fibra óptica instalado en una carretera; en el cual el al menos un sensor de fibra óptica comprende un elemento de conformación, una fibra óptica arrollada alrededor del elemento de conformación, una carcasa o caja y un material dúctil o adaptable en su forma, dispuesto entre la caja y el elemento de conformación; de tal manera que el material adaptable en su forma reduce la sensibilidad del sensor; y en el cual el sistema de interrogación interferométrico está destinado a responder a un desplazamiento de fase óptica producido en el al menos un sensor de fibra óptica como consecuencia de una fuerza aplicada por un vehículo a su paso por la al menos una estación de sensor.

Description

Sistema de vigilancia del tráfico rodado.

Sistema para la supervisión del tráfico viario.

Esta invención se refiere a un sistema para la supervisión del tráfico viario o rodado que incorpora una conjunto ordenado o matriz multiplexada de sensores de fibra óptica, a un sensor de fibra óptica para uso en dicho sistema, así como a un método para la supervisión del tráfico que se sirve de dicho sistema.

Existen varias razones por las que puede recogerse información relativa al tráfico viario en un tramo de vía particular. Una de ellas puede ser el control eficaz del tráfico viario, para el que resulta útil la información referente a la velocidad y al volumen del tráfico. Esto permite planificar rutas alternativas en respuesta a accidentes o cortes de carreteras, así como tratar de aliviar la congestión, quizá alterando los límites de velocidad.

Muchas carreteras nuevas se construyen provistas de una capa superior consumible que se diseña para desgastarse y ser reemplazada. Los significativos costes asociados a las reparaciones de las carreteras y a la construcción de carreteras, además de las interrupciones causadas por dichos trabajos, requieren que las reparaciones se lleven a cabo únicamente cuando sean necesarias. La capa consumible no debería ser reemplazada demasiado pronto, lo que acarrearía costes innecesarios, ni tampoco demasiado tarde, lo que supondría el riesgo de daños más graves para la capa subyacente de la carretera. Es, por tanto, esencial una determinación precisa del volumen del tráfico en un tramo de vía concreto.

Una razón adicional por la que es necesaria la información sobre el tráfico es la persuasión para el cumplimiento de las normas y leyes. Existen normas o disposiciones relativas al peso máximo permisible de los vehículos de mercancías pesadas (HGVs - "Heavy Goods Vehicles"), las cuales han nacido del compromiso por la seguridad y también con el fin de disminuir el daño que los vehículos sobrecargados pueden infligir a la estructura de la carretera. Una medición del peso de un vehículo en movimiento puede contribuir a garantizar que se cumplen dichas normativas.

Una sencilla información relativa a la velocidad del vehículo puede utilizarse para controlar y hacer cumplir los límites de velocidad.

Puede darse también la exigencia de recoger información relativa a los tipos de vehículos que utilizan un tramo particular de carretera. Esto puede ser con el fin de evitar que vehículos no aptos para ello, tales como los HGVs, utilicen carreteras rurales, o bien para planificar los proyectos de construcción de carreteras futuras. La clasificación del tipo de vehículo puede lograrse a partir de la determinación del peso dinámico del vehículo y del cómputo del número de ejes.

Es evidente que esta información relativa a la velocidad, peso, volumen y tipo de tráfico puede ser utilizada, en su totalidad, para contribuir a un programa eficaz de control del tráfico viario. Existen varios métodos en uso para obtener esta información, si bien éstos plantean problemas asociados.

Numerosos tramos de carretera son vigilados por medio de cámaras de vídeo. Las imágenes obtenidas de estas cámaras se suministran a unos puntos o estaciones centrales para su análisis, a fin de proporcionar información relativa a la velocidad de los vehículos y al tipo y volumen del tráfico. Sin embargo, debido a la complejidad de las imágenes, no es siempre posible automatizar de forma fiable el análisis de los datos que se reciben, lo que significa que deben ser estudiados visualmente. Existe un límite para el número de imágenes que se pueden analizar de esta manera. Además, la calidad de las imágenes recogidas puede verse influenciada por las condiciones meteorológicas. La niebla o la lluvia pueden ocultar el campo de visión de las cámaras, de la misma manera que lo pueden hacer los vehículos altos, y los vientos intensos pueden hacer que las cámaras vibren. En muchos países, los sistemas de cámaras son operados por agencias u organismos encargados del cumplimiento de la ley, de tal forma que se presenta a menudo una complicación añadida a la hora de poner la información recogida a la disposición de los organismos implicados en la supervisión del tráfico. Tampoco es posible determinar el peso de un vehículo a partir de una imagen de vídeo. Los gastos presupuestados para los sistemas de cámaras de vídeo para el seguimiento del tráfico pueden también ser elevados.

La inmensa mayoría de las carreteras nuevas, así como un gran número de las carreteras ya existentes, están dotadas de sensores inductivos. Éstos consisten en lazos o bucles de cable que se sitúan por debajo de la superficie de la carretera. Cuando un vehículo pasa por encima del sensor, las partes metálicas del vehículo, esto es, el motor y el chasis, alteran la frecuencia de un circuito sintonizado del que el bucle constituye una parte integral. Este cambio en la señal puede ser detectado e interpretado para proporcionar una medida de la longitud del vehículo que pasa. Situando dos bucles en estrecha proximidad uno de otro, es también posible determinar la velocidad del vehículo. La calidad de los datos recogidos por los sensores de bucle inductivo no es siempre elevada y se ve adicionalmente comprometida por el hecho de que la tendencia en muchos vehículos modernos es incorporar menos partes de metal. Esto conduce a un cambio en la señal más pequeño, que es más difícil de interpretar. Si bien son fáciles de fabricar, los sensores inductivos son grandes y, por ello, su colocación, particularmente en las carreteras ya existentes, provoca interrupciones significativas. Esto tiene costes asociados. Una desventaja importante del uso de los bucles inductivos para el control o supervisión del tráfico es que no son susceptibles de multiplexación. Cada ubicación de detección requiere su propio sistema de recogida de datos, su propio suministro de potencia y su propia unidad de comunicación de datos. Esto incrementa significativamente el coste del sensor en su conjunto, lo que da lugar a que no se conecten la mayoría de los bucles inductivos y que sean, por tanto, incapaces de recoger datos. Además, si bien es posible utilizar los bucles inductivos para contar los vehículos y, si se despliegan en pares, determinar la velocidad de los vehículos, no pueden ser utilizados para medir el peso dinámico del vehículo. No es posible, en consecuencia, la clasificación de los vehículos.

Son de uso común dos métodos para determinar el peso de los vehículos, en particular de los HGVs. El peso del vehículo puede medirse utilizando una puente de báscula. Éste es muy preciso, pero requiere que el vehículo abandone la carretera para dirigirse a un lugar específico en el que pueda efectuarse la medición. Un método alternativo consiste en tratar de medir el peso del vehículo conforme éste se desplaza. Por lo común, se sitúan cables piezoeléctricos bajo la superficie de la carretera, los cuales producen una señal proporcional al peso del vehículo al pasar éste por encima. Este método resulta más conveniente pero menos preciso que el puente de báscula. Como ocurre con los sensores de bucle inductivo, los sensores piezo-eléctricos no son susceptibles de ser multiplexados, de tal manera que cada uno de ellos requiere un sistema de recogida de datos, un suministro de potencia y una unidad de comunicación de datos similares. Los sensores son también más caros y menos robustos que los sensores de bucle inductivo.

Con el fin de obtener la máxima cantidad de información relativa al tráfico en un tramo particular de carretera, se despliegan a menudo sensores piezoeléctricos dispuestos en tándem con lazos inductivos.

Es posible utilizar sensores interferométricos de fibra óptica con el fin de detectar la presión. Cuando una cierta longitud de fibra óptica se somete a una presión externa, la fibra se deforma. Esta deformación altera la longitud del camino óptico de la fibra, lo que puede detectarse como un cambio de fase de la luz que pasa a lo largo de la fibra. Como es posible analizar cambios de fase muy pequeños, los sensores de fibra óptica son extremadamente sensibles a la presión aplicada. Dicho sensor se describe como un sensor interferométrico. Esta elevada sensibilidad permite utilizar los sensores de fibra óptica, por ejemplo, en los hidrófonos acústicos, en los que pueden detectarse por lo habitual ondas sonoras con intensidades equivalentes a una presión de 10^{-4} Pa. Dicha elevada sensibilidad puede, sin embargo, causar también problemas. Los sensores interferométricos de fibra no resultan adecuados idealmente para uso en aplicaciones en las que se requiera una sensibilidad baja, por ejemplo, para la detección de grandes diferencias de presión en un entorno con un ruido de fondo elevado. Sin embargo, los sensores de fibra óptica tienen la ventaja de que pueden ser multiplexados, por lo que no hay que recurrir a equipos electrónicos locales. Los sensores interferométricos pueden también disponerse en forma de sensores distribuidos, con una longitud suficiente como para abarcar toda la anchura de la carretera. Esto está en contraste con, por ejemplo, los sensores de rejilla de Bragg, que actúan como sensores puntuales.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, un sistema de supervisión del tráfico comprende al menos una estación de sensor y un sistema de interrogación interferométrico; en el cual la al menos una estación de sensor comprende al menos un sensor de fibra óptica desplegado en una carretera; en el cual el al menos un sensor de fibra óptica comprende un elemento de conformación, una fibra óptica arrollada alrededor del elemento de conformación, una carcasa o caja y un material dúctil o adaptable en su forma, dispuesto entre la caja y el elemento de conformado; de tal forma que el material adaptable en su forma reduce la sensibilidad del sensor, y en el cual el sistema de interrogación interferométrico está diseñado para responder ante un desplazamiento de fase óptica producido en al menos un sensor de fibra óptica como consecuencia de la aplicación de una fuerza por parte de un vehículo que pasa por la al menos una estación de sensor.

Esto proporciona un sistema de supervisión del tráfico de bajo coste y fiable, que emplea sensores sencillos, de bajo coste y robustos, los cuales pueden ser altamente multiplexados. La interrogación a distancia es posible, de tal manera que no se requieren ni equipos electrónicos locales ni alimentación de potencia eléctrica local.

Preferiblemente, el sistema de interrogación interferométrico comprende un sistema de interrogación interferométrico y reflectométrico, y, más preferiblemente, el sistema de interrogación interferométrico comprende un sistema de interrogación interferométrico y reflectométrico por impulsos.

La interferometría reflectométrica, y, en particular, la interferometría reflectométrica por impulsos, permiten una multiplexación muy eficaz.

De forma preferida, el sensor de fibra óptica comprende adicionalmente al menos un elemento semi-reflectante unido a la fibra óptica. Para un sensor sencillo y aislado, se utiliza un elemento semi-reflectante en cada uno de los extremos del sensor. Sin embargo, más comúnmente, se conectan en serie un cierto número de sensores, de tal forma que cada sensor individual únicamente necesita tener un elemento semi-reflectante. En este caso, cada elemento semi-reflectante actúa como el primer elemento semi-reflectante para un sensor, y también como el segundo elemento semi-reflectante para el sensor precedente. La excepción a ello es el último sensor de una serie de sensores, el cual requiere un elemento terminal semi-reflectante adicional.

De manera preferida, el elemento semi-reflectante es uno de entre un acoplador en X de fibra óptica con una de sus puertas dotada de un espejo, o una rejilla de Bragg.

Preferiblemente, el elemento de conformación comprende una barra cilíndrica que incorpora una acanaladura helicoidal, y la fibra óptica se enrolla en cooperación con la acanaladura helicoidal.

Esto hace posible la facilidad de fabricación, puesto que asegura que la fibra se arrolla de forma regular alrededor del elemento de conformación.

Las propiedades como material de la barra pueden escogerse de tal manera que la sensibilidad del sensor se reduzca adicionalmente.

Preferiblemente, el material adaptable en su forma es uno del grupo formado por una grasa, una resina o un plástico.

Las propiedades como material del material dúctil o adaptable en su forma pueden escogerse a voluntad de modo que proporcionen al sensor la sensibilidad requerida. A diferencia de los sensores de fibra óptica tradicionales, en los que es de suma importancia una elevada sensibilidad, el sensor de la presente invención se desensibiliza deliberadamente escogiendo un material dúctil o adaptable en su forma que absorba de un modo eficaz la mayor parte de cualquier fuerza aplicada. Esto significa que un sensor que comprende un material altamente adaptable, tal como una grasa, puede ser utilizado para detectar fuerzas y presiones mayores que las que sería posible detectar con los sensores de fibra óptica existentes.

De manera preferida, el sistema comprende una pluralidad de estaciones de sensor, y en él las estaciones adyacentes se conectan entre sí por medio de una cierta longitud de fibra óptica.

La longitud de fibra óptica que conecta estaciones de sensor adyacentes define la longitud del camino óptico entre las estaciones de sensor adyacentes. Por lo común, la fibra óptica de conexión está extendida, y, de esta forma, la longitud del camino óptico entre las estaciones de sensor adyacentes es substancialmente igual a su separación física. Sin embargo, la fibra óptica de conexión no necesita estar completamente extendida, en cuyo caso la separación física entre las estaciones de sensor adyacentes puede ser cualquier distancia hasta la correspondiente a la longitud de la fibra óptica utilizada para conectar estaciones de sensor adyacentes.

De forma conveniente, la longitud de la fibra óptica que conecta estaciones de sensor adyacentes se encuentra comprendida entre 100 m y 5.000 m.

Preferiblemente, cada estación de sensor comprende una pluralidad de sensores de fibra óptica, y, de manera más preferida, cada estación de sensor comprende al menos un sensor de fibra óptica por cada carril de la vía.

De la manera más preferida, cada estación de sensor comprende al menos dos sensores de fibra óptica, separados uno de otro por una distancia conocida, por cada carril de la carretera.

De forma conveniente, la distancia conocida está comprendida entre 0,5 m y 5 m. La distancia conocida se refiere a la separación física de los sensores de fibra óptica, y no a la longitud del camino óptico de la fibra óptica existente entre cada sensor.

Esto proporciona un sistema de supervisión del tráfico que puede ser empleado para supervisar el tráfico en cualquier tipo de carretera, desde una carretera de un solo carril hasta una autopista de múltiples carriles. Las estaciones de sensor pueden ubicarse a intervalos en toda la longitud de la carretera, o bien únicamente en los tramos en los que la supervisión del tráfico es primordial, por ejemplo, en lugares conocidos de congestión o en los puntos negros de accidentes.

El hecho de garantizar que cada carril de la carretera tiene al menos un sensor de fibra óptica lleva consigo la posibilidad de recoger alguna información del tráfico con independencia de la parte de la carretera por la que está circulando el tráfico. El sistema más sencillo para una carretera de un solo carril dispondría de dos sensores, uno para cada sentido del tráfico. Si bien esto proporcionaría información relativa al peso de los vehículos, al volumen del tráfico y al cómputo de los ejes, no podría utilizarse para proporcionar una medida de la velocidad de los vehículos. La velocidad de los vehículos puede determinarse, sin embargo, colocando dos sensores separados por una distancia corta y conocida, por cada carril de la carretera. Puede ser deseable colocar más de dos sensores por cada carril de la vía, por ejemplo, es posible utilizar tres sensores situados en estrecha proximidad uno de otro con el fin de proporcionar una medida de la aceleración del vehículo. Dicha medición puede ser de utilidad en las uniones o cruces de carreteras, en las rotondas o en los semáforos.

Preferiblemente, cada sensor se instala de tal forma que su dimensión más larga se encuentre substancialmente en el plano de la carretera y sea substancialmente perpendicular a la dirección de circulación del tráfico en la carretera.

De forma preferida, la dimensión más larga de cada sensor es substancialmente igual a la anchura del carril de la carretera.

Esto contribuye a garantizar que el paso de cualquier vehículo sobre cualquier parte de la carretera queda registrado por el sistema.

En el Reino Unido, la anchura de un carril de carretera puede variar desde aproximadamente 2,5 m, para una carretera secundaria, hasta aproximadamente 3,7 m para una autopista. Otras partes del mundo pueden tener redes viarias con diferentes anchuras de carril.

De forma preferida, cada sensor se instala por debajo de la superficie de la carretera.

Para la instalación en una carretera ya existente, puede cortarse un delgado canal o acanaladura en la carretera con vistas a alojar cada sensor. La acanaladura puede rellenarse a continuación de modo que la superficie de la carretera quede de nuevo en buen estado. Obviamente, en el caso de una carretera de nueva construcción, los sensores pueden ser sencillamente incorporados dentro de la estructura de la carretera durante su construcción.

Cabe la posibilidad, si bien es menos preferida, de instalar los sensores de tal manera que queden adheridos o fijados a la superficie de la carretera en lugar de embebidos o encastrados en ella. Esto puede resultar de utilidad en el caso de que el sistema haya de utilizarse durante un tiempo corto en un lugar particular antes de ser retirado. Por supuesto, en este caso, los sensores que se empleen pueden requerir ser protegidos o ser lo suficientemente fuertes como para poder soportar las mayores fuerzas producidas por los vehículos que pasan directamente por encima de ellos.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, un método para la supervisión del tráfico comprende proporcionar una pluralidad de estaciones de sensor en una carretera; instalar una pluralidad de sensores de fibra óptica en cada estación de sensor; en el cual cada sensor de fibra óptica comprende un elemento de conformación, una fibra óptica arrollada alrededor del elemento de conformación, una carcasa o caja y un material dúctil o adaptable en su forma, proporcionado entre la caja y el elemento de conformación; de tal manera que el material adaptable en su forma reduce la sensibilidad del sensor; intercomunicar cada sensor de fibra óptica con un sistema de interrogación interferométrico, empleando multiplexación por división en el tiempo de tal modo que el sistema de interrogación sea adecuado para controlar o supervisar una salida de cada sensor de fibra óptica de forma substancialmente simultánea; y utilizar la salida de cada sensor de fibra óptica para obtener datos relativos al tráfico que circula por cada una de las estaciones de sensor.

Preferiblemente, el método se sirve, adicionalmente, de multiplexación por división en longitud de onda, de tal forma que se incrementa el número de sensores de fibra óptica que el sistema de interrogación es capaz de supervisar.

De manera preferida, el método emplea adicionalmente multiplexación por división en el espacio, de tal modo que se incrementa el número de sensores de fibra óptica que el sistema de interrogación es capaz de controlar.

Preferiblemente, los datos obtenidos se refieren a al menos uno de entre la velocidad del vehículo, el peso del vehículo, el volumen del tráfico, la separación entre ejes y la clasificación del vehículo.

A continuación se describirá la invención únicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la Figura 1 muestra un ejemplo de un tramo de un sistema de supervisión del tráfico de acuerdo con la invención, instalado en una carretera de dos carriles;

la Figura 2 muestra un tramo extendido de un sistema de supervisión del tráfico de acuerdo con la presente invención;

la Figura 3 ilustra una única estación de sensor, adecuada para un sistema de supervisión del tráfico de acuerdo con la presente invención, e instalada en una autopista de seis carriles;

la Figura 4 ilustra una vista en perspectiva de un sensor de fibra óptica adecuado para su uso en un sistema de supervisión del tráfico rodado, de acuerdo con la presente invención;

la Figura 5 muestra una vista en sección transversal del sensor de la Figura 4, tomada a lo largo de la línea A-A;

la Figura 5a muestra una diagrama esquemático de tres sensores conectados en serie;

la Figura 6 muestra un diagrama esquemático de un sistema de interrogación interferométrico adecuado para ser utilizado en un sistema para la supervisión del tráfico de acuerdo con la presente invención;

la Figura 7 ilustra una representación de la disposición espacial de un conjunto de grupos de sensores que pueden ser interrogados por el sistema de la Figura 6;

la Figura 8 muestra la obtención de las secuencias temporales de las señales ópticas para el conjunto de grupos de sensores de la Figura 7;

la Figura 9 muestra una vista en perspectiva de un sensor del tipo ilustrado en la Figura 4, instalado bajo la superficie de una carretera;

las Figuras 10a-e ilustran la forma como puede ser instalado un sensor por debajo de la superficie de una carretera;

las Figuras 11a-b muestran las señales grabadas de un automóvil y de un HGV a su paso por encima de un sensor del tipo ilustrado en la Figura 4.

La Figura 1 muestra un tramo de un sistema para la supervisión del tráfico, instalado en una carretera 1 de dos carriles. Se muestran dos estaciones de sensor 2 conectadas por una longitud de fibra óptica 3. En las Figuras 1 y 2, la fibra óptica 3 se muestra extendida y, por tanto, la separación física entre las estaciones de sensor, indicada por la distancia 4, es substancialmente igual a la longitud del camino óptico de la fibra óptica 3. No es necesario que la fibra óptica 3 esté completamente extendida, y, en caso de que no sea así, la separación física entre las estaciones de sensor, la distancia 4, puede ser menor que la longitud del camino óptico de la fibra óptica 3. En la Figura 2 se muestra un tramo más extendido del sistema que presenta cinco estaciones de sensor 2.

Cada estación de sensor 2 comprende cuatro sensores de fibra óptica 5, conectados entre sí en serie, y a la fibra óptica 3 a través de una fibra óptica 6. En cada estación de sensor 2, los sensores 5 se instalan en la carretera 1 de tal manera que existen dos sensores por cada carril de la carretera, separados entre sí según se indica por la distancia 7. Las flechas 8 representan el sentido de desplazamiento del tráfico en cada carril de la carretera. Cada uno de los sensores se ha dispuesto de tal forma que su dimensión más larga es perpendicular a la dirección 8 de la circulación del tráfico, y es substancialmente igual a la anchura de un carril de la carretera. Esto garantiza que un vehículo que pasa por una estación de sensor dada 2 extraerá una respuesta de al menos un sensor de fibra óptica 5, con independencia de su sentido de desplazamiento o posición que ocupa sobre el carril de la carretera. El conocimiento de la separación física entre los sensores, 7, dentro de cada estación de sensor permite llevar a cabo la determinación de la velocidad del vehículo. Todas las estaciones de sensores están conectadas por fibra óptica 3 a un sistema de interrogación interferométrico 9.

En la Figura 3, se muestra instalada en su lugar una única estación de sensor 2, como parte de un sistema para la supervisión del tráfico de una carretera de múltiples carriles 10, por ejemplo, una autopista. En este caso, se han instalado doce sensores 5 con el propósito de garantizar que un vehículo que pasa por la estación de sensores sobre cualquiera de los seis carriles 11 de la carretera provoca una respuesta con independencia del sentido de desplazamiento 8 ó de su carril 11 elegido.

Un ejemplo de un sensor 12 que se muestra en las Figuras 4 y 5 comprende una fibra óptica 13 enrollada alrededor de una barra de poliuretano cilíndrica 14 y situada dentro de un canal con forma de "U" existente en una carcasa o caja 15. En este ejemplo, la fibra óptica 13 consiste en una longitud de 20 cm de fibra de doble revestimiento y de gran apertura numérica, que tiene un diámetro exterior de 170 \mum (FibreCore SM1500-6,4/80), si bien pueden utilizarse igualmente otras longitudes y especificaciones de fibra óptica. La barra de poliuretano 14 tiene una longitud de 3 m y presenta una acanaladura helicoidal de 1 mm de profundidad, mecanizada en su superficie. La fibra óptica 13 se arrolla en cooperación con esta acanaladura. Esto simplifica el arrollamiento de la fibra óptica uniforme o regularmente a lo largo de la longitud de la barra. Obviamente, las dimensiones de la barra pueden ser modificadas para dotar a un sensor del tamaño apropiado para una aplicación deseada. Las propiedades mecánicas del material utilizado para fabricar la barra 14 pueden afectar al comportamiento del sensor. Algunas alternativas al poliuretano incluyen el acero, así como otros materiales y otros plásticos como el Perspex. Se ha acoplado un elemento semi-reflectante 50 en uno de los extremos de la fibra 13. Si el sensor se ha de utilizar aisladamente, o bien si constituye el sensor terminal o extremo de una serie de sensores, entonces se acopla un elemento semi-reflectante adicional en el otro extremo del sensor.

Con el fin de reducir la sensibilidad del sensor, de tal manera que sea adecuado para detectar grandes fuerzas y presiones, se dispone un material adaptable 16 en posición intermedia entre la barra 14 y la caja 15. Este material es capaz de absorber la mayor parte de cualquier fuerza externa aplicada al sensor. Durante la fabricación, es conveniente llenar parcialmente la caja 15 con el material adaptable 16 y situar, a continuación, la barra 14 y la fibra óptica 13 en su parte superior. La barra se tapa entonces con más relleno del material adaptable. Como se muestra en la Figura 5, esto da lugar a que la barra quede completamente rodeada por el material elástico. Puede disponerse una tapa opcional 17 para proteger el sensor.

Esto es de utilidad si el material adaptable 16 se escoge de manera que sea un material blando, tal como una grasa. Cabe la posibilidad de omitir la tapa 17, en caso de que el material adaptable es uno del tipo diseñado para endurecerse, por ejemplo, una resina epoxídica.

La caja 15 está hecha, en este ejemplo, a partir de una barra de aluminio sólida con una sección transversal cuadrada de 23 mm de lado. La acanaladura en "U" se mecaniza en la barra con el fin de acomodar el elemento de conformación y la fibra óptica. La caja es, de forma conveniente, ligeramente más larga de la barra 14.

En la Figura 5a se muestran tres sensores 12, 12' y 12'', conectados en serie. Los sensores 12 y 12' tienen, cada uno de ellos, un elemento semi-reflectante 50 y 50', respectivamente, acoplado a la fibra óptica 13. Durante el uso, el sensor 12 se sirve de ambos elementos semi-reflectantes 50 y 50'. De forma similar, el sensor 12' queda definido por los elementos semi-reflectantes 50' y 50''. El sensor 12'' es un sensor terminal y, por tanto, tiene dos elementos semi-reflectantes acoplados a la fibra, 50'' y 50'''.

La Figura 6 ilustra un ejemplo de un sistema de interrogación interferométrico. La arquitectura o construcción de la Figura 6 se basa en una arquitectura reflectométrica de multiplexación por división en el tiempo, que incorpora alguna multiplexación adicional por división en longitud de onda y por división en el espacio. La luz procedente de n láseres de semiconductor 18 de realimentación distribuida (DFB-"distributed feedback") se combina con el uso de un multiplexador de división en longitud de onda densa (DWDM - "dense wavelength division multiplexer") 19, antes de pasar a través de un interferómetro 20. El interferómetro 20 comprende dos moduladores acústico-ópticos (AOM - "acousto-optic modulators"), los cuales se conocen también como celdas de Bragg 21, así como una bobina de retardo 22. Unos impulsos de frecuencias ligeramente diferentes excitan las celdas de Bragg 21, de tal manera que los impulsos de luz difractados presentan también esta diferencia de frecuencias. La salida procedente del interferómetro se produce en la forma de dos impulsos de interrogación independientes. Éstos son amplificados por medio de un amplificador de fibra dopada o adulterada con erbio (EDFA - "erbium doped fibre amplifier") 23, y se separan a continuación introduciéndose en n fibras diferentes 24 por medio de un segundo DWDM 25. Cada fibra 24 es suministrada a un acoplador de 1 x N 26. Cada acoplador 26 divide la entrada repartiéndola en N fibras 27. En la Figura 6, cada acoplador 26 se muestra provisto de cuatro fibras de salida 27, es decir, N = 4. N puede ser mayor o menor que este valor según se requiera. Tampoco es necesario que todos los acopladores de 1 x N 26 tengan el mismo valor de N. Cada fibra 27 termina en un sensor, en un grupo de sensores o en cierto número de grupos de sensores 28. Es evidente que el número de sensores individuales que pueden ser interrogados por la arquitectura o estructura de la Figura 6 puede ser grande. Un sistema típico puede tener n = 8 y N = 4, con 5 grupos de 8 sensores conectados a cada fibra de salida 27. Esto proporciona un sistema en el que es posible interrogar 1.280 sensores individuales. El número máximo de sensores está limitado por la disponibilidad de potencia óptica, si bien puede ser de hasta varios miles e incluso mayor.

La luz de retorno procedente de los sensores 28 se hace pasar a unos fotorreceptores individuales 29 a través de unas fibras de retorno 30. Los fotorreceptores pueden incorporar un receptor adicional de diversas polarizaciones, el cual se utiliza para superar el problema de las fluctuaciones de señal de baja frecuencia provocadas por el desvanecimiento de polarización. Es éste un problema habitual en las arquitecturas reflectométricas de división en el tiempo. Las señales eléctricas son transportadas desde el fotorreceptor a una computadora 31, la cual incorpora un convertidor de analógico a digital 32, un desmultiplexador digital 33, un desmodulador digital 34 y una tarjeta de regulación de secuencia temporal 35. Después del tratamiento de señal digital dentro de la computadora, la señal puede ser extraída en la forma de datos formateados para su presentación visual o almacenamiento, o bien convertida de nuevo en una señal eléctrica por medio de un convertidor de digital a analógico (no mostrado).

El comportamiento satisfactorio de la arquitectura de la Figura 6 depende de forma crítica de la correcta regulación de la secuencia temporal de las señales ópticas. Esto se consigue con el uso de longitudes específicas de fibra óptica dentro de cada sensor, entre cada sensor perteneciente a un grupo de sensores, y entre cada grupo de sensores. Un ejemplo de disposición se muestra en la Figura 7. En ella se muestran, separados por una distancia de 1 km, cinco grupos 36 de sensores, de tal manera que cada grupo comprende ocho sensores individuales 37. Cada sensor 37 comprende un total de 50 m de fibra óptica, de manera que cada grupo 36 presenta una longitud de camino óptico de 400 m.

En una primera inspección, puede parecer necesario instalar los grupos de sensores a intervalos conocidos y medidos de forma exacta, por ejemplo, en cada km. Éste no es el caso, puesto que pueden utilizarse bobinas de retardo para permitir instalar los grupos de sensores más cerca unos de otros. Si un grupo de sensores no puede ser instalado dentro de una distancia establecida, entonces es posible utilizar un grupo falso o ficticio de sensores, consistente en una bobina de 400 m de fibra, e instalarse a continuación el siguiente grupo de sensores en el carril. La alteración de la secuencia temporal de los impulsos de interrogación hará también posibles varias separaciones entre los grupos, por ejemplo, de 500 m, 1 km, 5 km, según se requiera.

Con el uso de las longitudes de fibra específicas que se definen en la reivindicación 7, es posible definir las secuencias temporales de las señales ópticas. Esto se muestra en la Figura 8. Ésta ilustra el hecho de que ha de ser posible una velocidad de muestreo de aproximadamente 41 kHz para cada grupo de sensores. Ello da lugar a una anchura de banda de medición de varios kHz en cada sensor, al tiempo que se mantiene un elevado intervalo dinámico. Ello tiene como resultado un elevado intervalo dinámico a lo largo de una anchura de banda de medición de varios kHz en cada sensor.

El tren de impulsos suministrado a los sensores consiste en una serie de pares de impulsos en los que los impulsos son de unas frecuencias ligeramente diferentes. En cada extremo de cada uno de los sensores se ha dispuesto un semi-reflector. La separación de impulso entre los impulsos es tal, que es igual al tiempo de tránsito en ambos sentidos de la luz a través de la fibra, entre estos semi-reflectores. Cuando estos semi-reflectores reflejan los pares de impulsos, la reflexión del segundo impulso se superpone en el tiempo a la reflexión del primer impulso procedente del siguiente semi-reflector a lo largo de la fibra. El tren de impulsos reflejado en el conjunto ordenado o matriz de sensores consiste en una serie de impulsos, cada uno de los cuales contiene una señal portadora que es la diferencia de frecuencias entre las dos frecuencias ópticas. El procedimiento de detección en el fotodiodo da lugar a una serie de impulsos heterodinos multiplexados por división en el tiempo
(TDM - "time-division-multiplexed"), cada uno de los cuales corresponde a un sensor particular del conjunto ordenado. Cuando una señal de presión incide en un sensor, ésta provoca una modulación de la fase de la portadora en el impulso reflejado correspondiente a ese sensor.

Con el fin de llevar a la práctica el esquema de las Figuras 7 y 8, existe el requisito de generar impulsos de regulación de secuencia temporal precisos, así como un procedimiento de desmultiplexación y desmodulación razonablemente sofisticado. Con el uso de una computadora equipada con convertidores de analógico a digital y que sea capaz de realizar el tratamiento de señales digitales, es posible llevar a cabo todo el procesamiento necesario en el dominio digital. Esto mejora la anchura de banda y el intervalo dinámico en comparación con soluciones analógicas más convencionales.

Las Figuras 9 y 10 muestran un ejemplo de la forma como los sensores pueden ser instalados bajo la superficie de una carretera. Se corta una ranura o acanaladura 38 en la superficie de una carretera 39 con el uso de una sierra de disco o radial. La acanaladura, que habitualmente es ligeramente más larga que el sensor, incluye un tramo más delgado 40 que se utiliza como un canal para alojar una fibra óptica de salida o eferente 41. La Figura 9 muestra tan solo una acanaladura eferente desde uno de los extremos del sensor, pero es evidente que es posible recortar una acanaladura similar en el otro extremo del sensor con el fin de permitir la conexión de los dos sensores entre sí. Se han colocado unos bloques de elevación o separación 42 a ciertos intervalos a lo largo de la base de la acanaladura, de forma conveniente cada 0,5 m más o menos. El sensor 43 se instala entonces sobre la parte superior de los bloques de elevación 42. Los bloques de elevación garantizan que el sensor no está directamente en contacto con la base de la acanaladura, por lo que contribuyen a aislarlo de las vibraciones. Una vez que el sensor está en su lugar, se vierte una resina de encofrado 44 en el interior de la acanaladura, de tal forma que el sensor queda completamente encapsulado. Los bloques de elevación o separación permiten que la resina de encofrado fluya por debajo del sensor. De forma preferida, la acanaladura se rellena ligeramente en exceso con la resina de encofrado, de la manera que se muestra en la Figura 10d. Tras una operación final para eliminar el sobrante de la superficie de la resina de modo que ésta quede al mismo nivel que la superficie de la carretera, el sensor está listo para su uso.

Ejemplo 1

Se instaló en una carretera un único sensor del tipo que se muestra en la Figura 4, tal y como se ilustra en las Figuras 9 y 10. La Figura 11a muestra la respuesta del sensor conforme un coche se desplaza por encima de ella a tres velocidades diferentes; 24,1 km/h (15 mph), 48,2 km/h (30 mph) y 88,5 km/h (55 mph), la cual se muestra, respectivamente, por las curvas de datos 45, 46 y 47. Cada curva comprende dos picos que corresponden a los dos ejes del automóvil. La distancia entre los picos es representativa de la separación entre los ejes, y puede obtenerse el peso por eje como una función del área integrada limitada por cada pico y de la velocidad del vehículo. En este ejemplo, es posible obtener el peso del vehículo, al mostrarse la velocidad del vehículo. Como se ha descrito anteriormente, se requieren al menos dos sensores separados por una distancia conocida para medir la velocidad de un vehículo que pasa.

Ejemplo 2

La Figura 11b muestra los datos que se recogen a medida que se conduce un vehículo articulado por encima del sensor utilizado en el ejemplo 1 que se ha descrito en lo anterior. Las curvas de datos 48 y 49 representan, respectivamente, un vehículo cargado y un vehículo descargado. Cada curva comprende cuatro picos, que corresponden a los cuatro ejes del vehículo. De nuevo, el peso por eje se obtiene a partir del conocimiento de la velocidad del vehículo y del área limitada por los picos. En este ejemplo, sin embargo, como la velocidad del vehículo fue la misma tanto para el ensayo en carga como para el ensayo descargado, la diferencia numérica entre las áreas limitadas por los picos proporciona una indicación directa de la diferencia de pesos del vehículo. Esta diferencia de pesos es equivalente al peso de la carga transportada por el vehículo.

Claims (25)

1. Un sistema para la supervisión del tráfico, el cual comprende al menos una estación de sensor y un sistema de interrogación interferométrico; en el cual la al menos una estación de sensor comprende al menos un sensor de fibra óptica instalado en una carretera; en el cual el al menos un sensor de fibra óptica comprende un elemento de conformación, una fibra óptica arrollada alrededor del elemento de conformación, una carcasa o caja y un material dúctil o adaptable en su forma, dispuesto entre la caja y el elemento de conformación; de tal manera que el material adaptable en su forma reduce la sensibilidad del sensor; y en el cual el sistema de interrogación interferométrico está destinado a responder a un desplazamiento de fase óptica producido en el al menos un sensor de fibra óptica como consecuencia de una fuerza aplicada por un vehículo a su paso por la al menos una estación de sensor.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el sistema de interrogación interferométrico comprende un sistema de interrogación interferométrico y reflectométrico.

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual el sistema de interrogación interferométrico comprende un sistema de interrogación interferométrico y reflectométrico por impulsos.

4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el sensor de fibra óptica comprende adicionalmente al menos un elemento semi-reflectante, acoplado a la fibra óptica.

5. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el elemento semi-reflectante es, bien un acoplador en X de fibra óptica con una puerta dotada de un espejo, o bien una rejilla de Bragg.

6. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el elemento de conformación comprende una barra cilíndrica que incorpora una acanaladura helicoidal.

7. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual la fibra óptica se enrolla en cooperación con la acanaladura helicoidal.

8. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el material dúctil o adaptable es uno de entre una grasa, una resina o un plástico.

9. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende una pluralidad de estaciones de sensor, de tal manera que las estaciones adyacentes están conectadas entre sí por medio de una cierta longitud de fibra óptica.

10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual la longitud de la fibra óptica que conecta las estaciones de sensor adyacentes está comprendida entre 100 m y 5.000 m.

11. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada estación de sensor comprende una pluralidad de sensores de fibra óptica.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual cada estación de sensor comprende al menos un sensor de fibra óptica por cada carril de la carretera.

13. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11 ó la reivindicación 12, en el cual cada estación de sensor comprende al menos dos sensores de fibra óptica, separados entre sí por una distancia conocida, por cada carril de la carretera.

14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la distancia conocida se encuentra comprendida entre 0,5 y 5 m.

15. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada sensor se instala de tal manera que su dimensión más larga está incluida substancialmente en el plano de la carretera y es substancialmente perpendicular a la dirección de circulación del tráfico sobre la carretera.

16. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la dimensión más larga de cada sensor es substancialmente igual a la anchura del carril de la carretera.

17. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada sensor se instala por debajo de la superficie de la carretera.

18. Un método para la supervisión del tráfico, el cual comprende proporcionar una pluralidad de estaciones de sensor en una carretera; instalar una pluralidad de sensores de fibra óptica en cada estación de sensor; en el cual cada uno de los sensores de fibra óptica comprende un elemento de conformación, una fibra óptica arrollada en torno al elemento de conformación, una carcasa o caja y un material dúctil o adaptable en su forma, dispuesto entre la caja y el elemento de conformación, de tal manera que el material adaptable en su forma reduce la sensibilidad del sensor; interconectar cada sensor de fibra óptica con un sistema de interrogación, emplear multiplexación por división en el tiempo, de tal manera que el sistema de interrogación sea capaz de supervisar una salida de cada sensor de fibra óptica de forma substancialmente simultánea; y utilizar la salida de cada sensor de fibra óptica para obtener datos relativos al tráfico que pasa por cada estación de sensores.

19. Un método de acuerdo con la reivindicación 18, que emplea adicionalmente multiplexación por división en longitud de onda, de tal forma que se incrementa el número de sensores de fibra óptica que el sistema de interrogación es capaz de supervisar.

20. Un método de acuerdo con la reivindicación 18 o la reivindicación 19, el cual se sirve adicionalmente de multiplexación por división en el espacio, de tal manera que se incrementa el número de sensores de fibra óptica que el sistema de interrogación es capaz de supervisar.

21. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en el cual los datos obtenidos se refieren a la velocidad de un vehículo.

22. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en el cual los datos obtenidos se refieren al peso de un vehículo.

23. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en el cual los datos obtenidos se refieren al volumen del tráfico.

24. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en el cual los datos obtenidos se refieren a la separación entre ejes.

25. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en el cual los datos obtenidos se refieren a la clasificación de los vehículos.