Estudio y Desarrollo experimental de la propagación de la luz en ambientes nocturnos inmersos en niebla

Jaime Quintana / Sulaiman El Azouan / Daniel Vázquez / A. Alvarez / Juan Carlos Martinez

Universidad Complutense de Madrid

Índice
Objeto e hipótesis del trabajo
Caracterización óptica de la niebla
Modelo óptico experimental de niebla
Conclusión

Objeto e hipótesis del trabajo
El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de un sistema que permita simular el comportamiento de la luz en distintos ambientes con niebla, a partir del empleo de modelos que expliquen la difusión de la luz cunado incide sobre una partícula.
Para este trabajo, se parte de la hipótesis de que si se ilumina una escena con niebla con una fuente inteligente se va a producir una mejora del contraste entre un “target” y el fondo de la escena, que si se ilumina la escena en su totalidad. Esto se debe a la aparición de un efecto conocido como luminancia de velo. Este fenómeno tiene lugar cuando la luz se difunde en la misma dirección de propagación, pero en sentido contrario, es decir, se produce retro-difusión o “back-scattering”.

Caracterización óptica de la niebla
Hay que determinar el comportamiento de la luz cuando se propaga por un medio, así como cuando incide sobre las partículas de dicho medio.
Para estudiar el comportamiento de la luz, se aplica la ley de “Lambert-Beer”, que da información de como disminuye la intensidad del haz emitido por la fuente en función de la distancia y del coeficiente de extinción de la niebla.
Donde I es la intensidad medida a una distancia d con respectos al origen del sistema I0 y Kext corresponde al coeficiente de extinción del medio.
Para ello se emplea el modelo de dispersión de “Mie”, pues las nieblas están formadas por partículas de agua y/o cristales de hielo, que se pueden considerar partículas de gran tamaño.
La aplicación de este modelo da como resultado la obtención de la función de fase, función que da información de cómo se difunde la luz en función del ángulo. De esta manera se analizan diversas funciones de fase variando distintos aspectos como el tamaño de partícula o la longitud de onda del haz incidente. Se analiza y comparan y se observa que es posible establecer para la niebla una función de fase promedio, pues estas presentan diferencias mínimas.

Modelo óptico experimental de niebla
A continuación, se va a desarrollar una fase experimental en un entorno controlado para recrear condiciones de niebla, para ello se va a construir una cámara aislada donde se va a generar la niebla.
Mediante el empleo de una CCD (“Lumicam 1300”) se toman imágenes de la cámara con nieblas fabricadas de distintos coeficientes de extinción
Tras procesar la escena se va a obtener el valor de la luminancia de velo de la escena
y aplicando el cálculo de la fracción del contraste de “Weber” se determina el contraste del “target” de la escena.

Conclusión
Se ha desarrollado un software que procesa el modelo global anterior para obtener la función de fase de las distintas configuraciones de niebla, de forma que se pueda calcular de una forma rápida y sencilla la pérdida de calidad de imagen en estos ambientes. Este análisis ha permitido establecer, que a la hora de evaluar la función de fase de un ambiente con niebla es posible para el objetivo del presente trabajo, simplificar las características de su composición: tamaño de partícula y concentración.
Se ha diseñado y realizado un montaje experimental de un ambiente de oscuridad total con niebla, que va a permitir la adquisición de información para la validación de la simulación. Dicho test permite concluir que es posible mejorar mediante el uso de sistemas de iluminación inteligentes la visibilidad durante el ejercicio de la conducción en condiciones de nocturnidad en ambientes con niebla. Si se controla la forma de iluminar los diferentes “targets”

El objetivo de esta segunda parte consiste en aplicar tanto la función de fase, obtenida al emplear el modelo de difusión de “Mie”, como la ley de “Lambert-Beer” (1) para desarrollar un programa en “Matlab” que simule lo descrito en la fase experimental. Este programa va a consistir en una estructura cúbica matricial que recrea un ambiente con niebla. Genera un volumen compuesto de cubos elementales de niebla que contienen información relativa a la función de fase. Para completar la simulación, se añade la matriz de intensidades y posición de la fuente y del “target” así como la posición del observador