Visión Térmica

Tratamos de aclarar los conceptos, el funcionamiento y las características de los equipos de visión térmica o termográfica.

Es posible?

Un ejemplo de la vida real

Después del atentado del Maratón de Boston comenzó la caza del hombre, del autor. Sólo había un pequeño problema: a pesar del enorme despliegue de fuerzas de seguridad y de armas, las autoridades no podían encontrar a los responsables.

Tras muchas averiguaciones y sospechas, al final consiguieron centrar la búsqueda en un bote cubierto con una lona en un camino. Como el individuo estaba escondido, no podían confirmar su posición exacta en el bote y tampoco si estaba armado. Los oficiales estaban trabajando a ciegas, en la más absoluta oscuridad. Fue entonces cuando una cámara térmica (termográfica) les ayudó a salvar la situación.

Esa cámara, instalada en un helicóptero que sobrevolaba la zona, identificó a un hombre tumbado boca abajo en la cubierta del barco. También permitió saber que estaba vivo y se movía. Con la ayuda de la información del helicóptero, los GEOS pudieron, al fin, acercarse y detener al sospechoso.

Una cámara termográfica (o cámara infrarroja) detecta la luz infrarroja (el calor) invisible para el ojo humano. Esa capacidad hace de estas cámaras una herramienta increíblemente útil para todo tipo de usos, incluyendo seguridad, vigilancia y usos militares, en los que los malos pueden ser perseguidos en la oscuridad, el humo, la niebla o el polvo o, incluso, cuando están escondidos detrás de la lona de un barco.

Los arqueólogos utilizan cámaras termográficas en las excavaciones. Los ingenieros para detectar fallos en las estructuras. Los médicos pueden detectar problemas o enfermedades con su ayuda. Los bomberos llegan al centro de los incendios. Los trabajadores de empresas de suministros pueden detectar problemas en las líneas eléctricas, en las canalizaciones de agua y en las de gas. Los astrónomos utilizan la luz infrarroja para explorar las profundidades del espacio. En el próximo punto aclararemos como funciona la imagen térmica.

 

Pongamos algo de luz

El ojo humano es un órgano hermoso y extremadamente complicado. Está hecho para ver la luz visible. Esa luz es la que se refleja en los objetos y nos permite verlos.

La luz, que es un tipo de radiación, tiene muchos más “sabores” que sólo los visibles. El rango de la luz se expande por el espectro electromagnético que incluye luz visible y luz invisible así como rayos X, rayos gamma, ondas de radio, microondas y luz ultravioleta.

Su longitud de onda (como su frecuencia) es lo que hace a cada uno de estos tipos de luz diferente. En un extremo del espectro tenemos, por ejemplo, los rayos gamma cuya longitud de onda es muy es muy corta. En el lado opuesto del espectro están las ondas de radio cuya longitud de onda es mucho mayor. Entre esos extremos hay una pequeña franja de luz visible y, al lado de ella, es donde se encuentra la longitud de onda del infrarrojo, con frecuencias entre 430 THz (terahercios) y 300 GHz (gigahercios).

Si entendemos el infrarrojo podremos utilizar equipos de imagen térmica para detectar la huella de calor de casi cualquier objeto. Casi cualquier material emite, al menos, un poco de calor, incluso cosas tan frías como el hielo. Eso es porque, a menos que se encuentre en el cero absoluto (menos 273,15 grados Centígrados) sus átomos siguen vibrando y rotando, chocando y generando calor.

A veces, los objetos están tan calientes que producen luz visible; piense en las resistencias de una estufa eléctrica o las ascuas de una hoguera. Si la temperatura es más baja no producen luz visible pero, aún así, si acerca la mano notará el calor de los rayos infrarrojos que salen hacia su piel.

De todos modos, con frecuencia su piel no sirve para detectar el infrarrojo. Si llena una taza con agua caliente y otra con agua fría y pone los dos sobre una mesa en el otro extremo de la habitación, no tendrá ni idea de cual es cual. Una cámara de imagen térmica lo detectará inmediatamente.

En situaciones como esta, el ser humano confía en herramientas electrónicas que le ayudan. En esencia, los equipos de imagen térmica son como un ayudante para nuestros ojos, ampliando nuestro rango de visión de manera que podemos ver el infrarrojo además de la luz visible. Dotados con esta extensión de información visual, nos convertimos en una especie de superheroes del espectro electromagnético.

Pero… ¿como puede un equipo digital recoger las señales invisibles de calor y crear una imagen que tiene sentido para nuestra vista?

Cómo nació la imagen térmica

Las cámaras termográficas son equipos modernos de alta tecnología pero el descubrimiento de la luz infrarroja se produjo hace mucho, mucho tiempo.

En 1800, un astrónomo británico, llamado Sir William Herschel, descubrió el infrarrojo. lo hizo utilizando un prisma para dividir un rayo de luz solar en diferentes longitudes de onda y colocando un termómetro en cada color de la luz. de esa manera se dio cuenta de que el termómetro detectaba calor incluso donde no había luz visible, en otras palabras, donde está el infrarrojo.

Durante los 1800’s una serie de intrépidos intelectuales experimentaron con materiales cuya conductividad cambiaba con la temperatura. Esto llevó al desarrollo de termómetros de una gran sensibilidad, llamados bolómetros, que podían detectar diminutas diferencias de temperatura desde lejos.

En realidad, no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial cuando comenzó la investigación sobre el infrarrojo. Los avances fueron muy rápidos, en parte por el descubrimiento del transistor, que facilitó muchísimo la construcción de equipos electrónicos.

Actualmente, la cámaras infrarrojas han evolucionado en dos categorías: las llamadas de detección directa y las de detección térmica.

Los detectores directos de imagen se dividen, a su vez, en fotoconductivos y fotovoltaicos. Las cámaras fotoconductivas utilizan componentes cuya resistencia cambia cuando son alcanzados por fotones de una determinada longitud de onda. Por otro lado, los materiales fotovoltaicos también son sensibles a los fotones pero, en lugar de cambiar su resistencia, cambia su tensión (voltaje). Tanto las cámaras fotoconductivas como las fotovoltaicas necesitan sistemas de refrigeración muy potentes para que puedan detectar los fotones.

Sellando la carcasa del sensor y criogenizándo su electrónica, los ingenieros reducen la probabilidad de interferencias y amplían la sensibilidad y el rango de detección. Este tipo de cámaras son caras, más propensas a las averías y difíciles de reparar. La mayoría de los sensores no están refrigerados. Eso los hace menos precisos pero, también, mucho más económicos.

De todos modos, con frecuencia, la tecnología de de detección térmica está integrada por elementos llamados microbolómetros. Estos no detectan fotones. En su lugar, encuentran pequeñas diferencias de temperatura en la radiación térmica de los objetos distantes.

Como los microbolómetros absorben energía térmica, sus sensores suben de temperatura y cambia su resistencia eléctrica. Un procesador corrige esos cambios de resistencia y utiliza los datos para generar una imagen en una pantalla. Estas matrices no necesitan costosos sistemas de refrigeración. Eso significa que se pueden integrar en aparatos pequeños como gafas de visión nocturna, miras para armas o cámaras de mano.

 

Complejidad de las imágenes térmicas

Las imágenes térmicas funcionan de una manera parecida al ojo humano. Sólo que, en lugar de recoger la luz visible reflejada por los objetos, los equipos térmicos detectan el calor emitido por los objetos.

Como ya sabe, tanto las cosas frías como las calientes emiten calor. Como ese calor sale del objeto, un equipo de imágenes térmicas puede verlo. Como una cámara, estos equipos tiene una óptica delantera que enfoca la imagen sobre el detector de infrarrojos. Ese detector tiene decenas de miles de puntos de tal manera que puede detectar sutiles cambios de temperatura, desde unos menos 20 grados Centígrados hasta unos 2.000 grados Centígrados.

Así, el detector construye el termograma que es, en realidad, una matriz de temperaturas. La información del termograma se transforman en señales eléctricas y se procesa en la cámara para convertirlas en una imagen que se presenta en una pantalla. El proceso completo es muy rápido y se realiza, normalmente, unas 30 veces por segundo.

La mayoría de los visores muestran los objetos en blanco y negro, con las zonas calientes en negro en blanco y gris (o al revés). En un visor de color suelen verse los objetos calientes en blanco, amarillo, rojo o naranja mientras que los objetos fríos aparecen azules o violetas (en realidad, hoy en día, muchos aparatos ofrecen una gran variedad de paletas de colores). A esto se le suele llamar imágenes de color falso porque el equipo asigna los colores de cada zona de manera arbitraria, en lugar de lo que hace una cámara normal, que crea imágenes de color real, como aparecen en la vida que vemos.

Dependiendo de la diferencia de temperatura entre los objetos que se están observando, la imagen resultante puede ofrecer mucha información, como la figura de un hombre completo portando un arma. Cuando las diferencias de temperatura son pequeñas, la imagen puede ser confusa y poco definida.

La calidad de la imagen cambia según se trate de un visor activo o pasivo. Los equipos activos utilizan un láser u otra fuente de energía para calentar la superficie de los objetos que se quieren observar haciéndolos más visibles. Por ejemplo, algunos fabricantes de coches los calientan mientras se fabrican para facilitar que las cámaras térmicas detecten con facilidad cualquier defecto. Los equipos pasivos tan sólo detectan el calor que los objetos emiten de forma natural. Ambos sistemas tienen sus pros y sus contras pero la sencillez de los equipos pasivos los hace, con diferencia, los más comunes.

Visión Nocturna... Nones

Los primeros equipos con detector infrarrojo eran grandes, poco manejables y ruidosos. los equipos refrigerados actuales están muy mejorados pero siguen siendo pesados, grandes y caros, con frecuencia montados en vehículos o aeronaves para poder transportarlos al lugar donde son necesarios.

Un equipo refrigerado muy conocido, por ejemplo, es el FLIR SAFIRE III, que fue utilizado para acotar la búsqueda del sospechoso de la bomba del Maratón de Boston. Este aparato está diseñado para uso militar y estabilizado con un giróscopo funcionando en vehículos terrestres o aeronaves. Pesa unos 45 Kilos y costaba medio millón de dólares allá por el año 2013. Detectores más “baratos” siguen costando decenas de miles de euros haciéndolos demasiado caros para los particulares.

Los equipos no refrigerados son mucho menos caros y, también, mucho más pequeños. Por ejemplo, el Guide IR510X cuesta unos 1.700 euros y pesa menos que una lata de refresco. Tiene una batería recargable de Litio-ion que dura cinco horas, una pantalla en color, salida de vídeo compuesto y puede almacenar fotografías en su memoria interna descargándolas por USB.

Algunos de estos visores incluyen prestaciones interesantes como pantallas PIP, lentes intercambiables, punteros láser (para saber exactamente donde se está apuntando), GPS integrado, conectividad WiFi e incluso micrófono para poder añadir comentarios a las imágenes.

Los equipos de GUIDE y otros fabricantes utilizan microbolómetros. Son muy diferentes de los visores nocturnos o las cámaras digitales iluminadas por infrarrojo tan económicas y malas. Ya conoce esos juguetes, se utilizan para crear imágenes en ese verde pegajoso de las películas y programas de televisión.

Ese tipo de visión nocturna no detecta el calor. En cambio, amplifican mucho la luz residual ambiental para ver los objetos en la oscuridad. En otras palabras: siguen necesitando luz visible o de infrarrojo próximo reflejada o no funcionan bien.

Lo mismo o peor ocurre con las con las cámaras iluminadas por infrarrojos. Esas cámaras, sin infrarrojo, no ven nada por lo que necesitan un iluminador que, con su haz de luz, ilumine los objetos que se quieren ver y devuelvan la luz reflejada.

Lo último en tecnología

Los equipos de imagen térmica mejoran su sensibilidad y características continuamente. Pero no son una tecnología perfecta.

Seguro que estas cámaras permiten ver huellas de calor entre coches, en viviendas y otros materiales grandes y voluminosos. Pero cualquier material (como una ventana de cristal) que se interponga reducirá o anulará la eficacia del equipo. Incluso hay ropa que impide la detección del calor del cuerpo humano (un traje de neopreno, sin ir más lejos).

También está el problema de interpretar las imágenes que aparecen en la pantalla. Pueden ser difusas, cambiantes y sólo nos informan de la temperatura de los objetos, no son no son fotografías reales así que entender lo que se ve depende mucho de la experiencia del usuario. La gente sin experiencia puede malinterpretarlas, especialmente en situaciones límite como mal tiempo o interferencias.

El coste seguirá siendo un problema para cualquiera que no tenga recursos suficientes. Incluso los visores más asequibles cuestan muchos cientos de euros y sólo tienen una pequeña fracción de las prestaciones de los equipos de los gobiernos o ejércitos.

Aquellos que tienen dudas pueden pensar que algunas hazañas se ponen a su alcance. La seguridad y la vigilancia es algo que van a conseguir. Los malos tienen muy pocos sitios donde esconderse si la policía o el ejército pude seguir los movimientos de los sospechosos incluso sin visión directa, tanto en una zona urbana como en una frontera o dentro de un edificio.

Utilizando cámaras térmicas, los bomberos pueden localizar personas atrapadas en las edificaciones, zonas calientes en las viviendas o daños en las estructuras antes de que alguien salga herido. Los científicos pueden hacer censos de poblaciones de osos polares dentro de zonas de nieve. Las ruinas antiguas tienen una temperatura diferente a la de la tierra o rocas que las rodean, permitiendo permitiendo a los arqueólogos utilizar imágenes térmicas para decidir donde seguir excavando.

Los inspectores de edificios llevan cámaras térmicas para detectar roturas o deficiencias en tejados o aislamientos. Igualmente, los albañiles y fontaneros pueden detectar roturas de cañerías y humedades incluso en lugares en los que no son visibles y el propietario no sabe que tiene un problema.

Los elementos de la red eléctrica que se calientan pueden llegar a romperse y provocar apagones. Para evitar caídas en la red, los supervisores utilizan imágenes térmicas para encontrar los puntos en los que se está deteriorando. Las fugas de gas son otro grave problema en los suministros y las cámaras térmicas pueden encontrarlas antes de que se conviertan en un problema grave.

¿Preocupado por una epidemia? Instale cámaras térmicas en zonas de paso de estaciones y aeropuerto para detectas entre la multitud los pasajeros con fiebre.

La lista de usos crece día a día. Y mientras las empresas inviertan cada vez más en investigación y desarrollo, las cámaras térmicas serán cada vez mejores y más baratas encontrando más aplicaciones, en hobbys o en investigación. Lo que ahora es una tecnología candente se está convirtiendo en una tecnología más atractiva y nosotros, los seres humanos, empezamos a ver el mundo de otra manera.

¿Ha aprendido algo?

Debajo tiene un test sencillo para saber si puede defenderse en una conversación de amigos sobre imagen térmica.

Cual de las siguientes respuestas es correcta?

Test de visión nocturna

Los equipos de visión nocturna se utilizan para ver en la oscuridad.

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