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INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana
Empleo de la Fibra Óptica como Sensor de Movimientos en Masa para
Aplicaciones de Prevención de Desastres
Silvana Alejandra CASTRILLON-ZULUAGA, Julián HERNANDEZ-VILLEGAS, Juanita NAVARRO-JARAMILLO,
Sergio ORREGO-GONZALEZ, Claudia CARMONA-RODRIGUEZ, Ferney AMAYA-FERNANDEZ
Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación; Universidad Pontificia Bolivariana
Cir. 1, #70-01, B11, Medellín, Colombia.
juanita.navarro alfa.upb.edu.co
Resumen: En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como sensor de movimientos de terreno en
masa para la aplicación en la prevención de desastres, presentando como ventaja respecto a los métodos actuales de
sensado, la medición en tiempo real en áreas geográficas extensas. La medición se realiza empleando el método
OTDR que analiza la señal óptica reflejada ante una perturbación a lo largo de una, indicando la ubicación e
intensidad de un movimiento de terreno en masa. Copyright © 2013 UPB
Palabras clave: Sensor fotónico, Reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR), movimientos de terreno
en masa.
Abstract: This paper presents the use of fiber optics as a sensing element for disaster prevention applications. This
sensing method presents advantages such as real-time measurement over large geographical areas. The measurement
is performed using the OTDR method, detecting the optical signal reflected by a disturbance along the fiber, and it
allows identifying the location and intensity of a landslide.
Keywords: Photonic sensor, Optical time domain reflectometry (OTDR), Landslide.
UPB_autoArt 2013-07-19, s 20aa-mm-dd
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1. INTRODUCCIÓN
Uno de los eventos más frecuentes en desastres ambientales y que
se intenta pronosticar adecuadamente es el movimiento en masa
de terrenos. Estos eventos pueden cubrir varios tramos en una vía
de transporte o incluso un área considerable de un municipio,
poniendo en riesgo vidas humanas, cultivos y animales, afectando
el crecimiento económico de las regiones y el abastecimiento de
alimentos.
En la actualidad para detectar deslizamientos se utilizan
dispositivos donde se miden puntualmente variables o se realiza
análisis de imágenes aéreas para áreas extensas, éste tipo de
métodos normalmente no aportan medidas en tiempo real y
ofrecen baja sensibilidad, siendo el efecto visible solo en el
momento del desastre, lo cual no permite desplegar acciones de
prevención.
Los sensores basados en fibra óptica ofrecen una solución simple,
ya que permiten ubicar el sitio donde ocurrió la perturbación y su
intensidad. En general, estos sensores modifican una característica
de la luz guiada en respuesta a una variable externa física,
química o biológica (López, 2003). Entre las ventajas que ofrecen
los sensores de fibra óptica están la no manipulación de señales
eléctricas en el punto de medición, proporcionando mayor
inmunidad a la interferencia electromagnética y eliminando los
problemas relacionados con la tierra eléctrica, bajo consumo
energético y la posibilidad de emplear el mismo sensor para medir
diferentes variables, además de que su uso puede realizarse en
forma distribuida para mediciones en áreas amplias.
Varias tecnologías que emplean la fibra óptica como sensor han
sido implementadas para la medición de fenómenos físicos y
químicos, resaltando entre ellos aplicaciones de tensión,
temperatura, humedad, presión, vibración; para vigilancia en
estructuras y perímetros, túneles, trenes, entre otros; también se
conocen aplicaciones en la medicina, la química y la energía
eléctrica.
La mayoría de sistemas de mediciones distribuidas en fibra óptica,
se basan en mediciones de la potencia óptica reflejada (Optical
time domain reflectometry OTDR), en la cual se utiliza la
dispersión de la señal de luz en su interacción con la estructura del
material, produciendo tres componentes de lectura Rayleigh,
Raman y Brillouin (López, 2003).
La componente de Rayleigh consiste en una señal óptica reflejada
a la misma longitud de onda del pulso enviado y es utilizada para
medir pérdidas de potencia o atenuación de la fibra. Por otro lado,
los fenómenos de Brillouin y Raman obedecen a efectos no
lineales de la fibra óptica y consisten en señales ópticas reflejadas
a longitudes de onda diferentes a la del pulso enviado. Estos
efectos son utilizados frecuentemente para medir temperatura y
desplazamiento físico.
En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como
elemento sensor de movimientos en masa de suelos, lo cual,
presenta como ventajas la medición en tiempo real en áreas
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geográficas extensas, propiciando su uso en aplicaciones para la
prevención de desastres. Esto a diferencia de los métodos de
medición actuales en los que se toma una medida semanal o
mensual, haciendo lecturas individuales sobre varios sensores
ubicados en áreas geográficas extensas. En este caso, la fibra
óptica detecta movimiento del suelo y la medición de toda el área
se concentra en un solo sitio. Con este método se disminuyen los
costos de adquisición en comparación con el área de cobertura. La
medición se realiza empleando el método OTDR que detecta la
potencia de la señal reflejada ante una perturbación a lo largo de
la fibra, y permite identificar a qué distancia se presentó la
perturbación. El método permite medir la intensidad de la
perturbación a partir de la amplitud de la señal reflejada.
Este artículo describe en la sección 2 los diferentes tipos de
movimientos en masa en los cuales se puede considerar la
utilización de sensores basados en fibra óptica por el método
OTDR; en la sección 3 se describe el método que se utilizará para
sensar el movimiento en masa; en la sección 4 se presentará el
esquema de pruebas y los resultados obtenidos; en la sección 5 se
da a conocer el potencial de este trabajo y por último en la sección
6 se encuentran las conclusiones.
2. MOVIMIENTOS EN MASA
La inestabilidad de los terrenos es un factor que ocasiona
movimientos en masa, por lo cual es necesario tener en cuenta las
causas y condiciones bajo las cuales se presenta este fenómeno.
Es necesario tener en cuenta que este factor es más susceptibles a
ocurrir cuando estos son sometidos a solicitaciones (cargas
accidentales) extremas como lluvias fuertes o sismos [GEMMA,
2007].
A continuación se presenta una breve descripción de los
movimientos que se pueden sensar por medio del método OTDR.
Figura 1. Volcamiento. (Universidad de San Carlos de
Guatemala)
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2.1. Volcamiento
El volcamiento es causado por la acción de la gravedad, la presión
ejercida por el material situado encima de la masa afectada, y por
empujes de las unidades cercanas [GEMMA, 2007]. Lo cual
genera ciertas grietas en la superficie y volcamiento de rocas
como se muestra en la Figura 1.
2.2. Deslizamiento
El deslizamiento es uno de los tipos de movimiento en masa que
más a menudo colocan en riesgo la vida de las personas. Estos son
originados por los movimientos y la inestabilidad de la tierra,
produciendo una caída sobre tierra estable, que arrasa consigo
árboles y rocas. Estos deslizamientos pueden ser rápidos, más
peligrosos, o lentos. Los movimientos lentos se pueden prevenir,
realizando su detección en sus etapas iniciales ya que deja huellas
tales como hundimientos, grietas e inclinación de árboles
[GEMMA, 2007]. Los dos tipos de deslizamiento que suelen ser
los más comunes en el suelo son:
Deslizamiento rotacional: Es un tipo de desplazamiento que
ocurre internamente en el material, su ruptura es de forma circular
o cóncava como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Movimiento rotacional (Universidad de San Carlos
de Guatemala)
Desplazamiento traslacional: A diferencia del desplazamiento
rotacional, la masa de terreno se desplaza hacia afuera y hacia
abajo, a lo largo de una superficie relativamente plana, como se
muestra en la Figura 3. Estos deslizamientos pueden ser causados
por las grietas en las rocas y la resistencia de estas.
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Figura 3. Movimiento traslacional rotacional (Universidad de San
Carlos de Guatemala)
2.3. Propagación lateral
Se caracteriza por un movimiento lento de la masa, debido a la
deformación interna del material que causa fragmentación del
terreno en bloques grandes como se muestra en la Figura 4
[GEMMA, 2007].
Figura 4. Propagación lateral rotacional (Universidad de San
Carlos de Guatemala)
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3. MÉTODO OTDR
El ODTR es un dispositivo de medida generalmente utilizado
para caracterizar la fibra óptica. El OTDR envía pulsos ópticos
que son reflejados o dispersados cuando ocurre una curvatura o
perturbación mecánica. El OTDR entrega un gráfico de
atenuación con respecto a la distancia y es muy empleado en la
medición de enlaces ópticos en sistemas de
telecomunicaciones.
3.1. Medición del lugar de la perturbación
Al ocurrir un movimiento del suelo en masa se produce una
curvatura o perturbación en la fibra óptica. Esto produce una
reflexión del pulso que envía el OTDR. El OTDR mide el tiempo
entre el pulso transmitido y el reflejado, para calcular la distancia
a la que ocurrió la perturbación).
Esto quiere decir que si a una distancia L ocurre una perturbación
en un segmento de ancho W, (ver Fig. 5), la potencia que regresa a
la fuente debido a la dispersión en un intervalo infinitesimal
dz es:
( ) ( ) , (1)
donde es el coeficiente de dispersión y es el coeficiente de
retro dispersión. El producto representa la fracción de la luz
dispersada que regresa en dirección de la fuente desde el sitio de
la perturbación.
Fig 5. Retrodispersión causada por una perturbación
La potencia en el interior del segmento donde ocurrió la
perturbación se calcula como:
( ) (2)
Remplazando esta potencia en (1) e integrando en el intervalo de
0 a W, se obtiene la potencia dispersada en el segmento donde
ocurre la perturbación:
( ) ⁄ (3)
Donde es la potencia al inicio del segmento y es igual a:
. (4)
Por lo tanto, la potencia dispersada por el segmento donde ocurre
la perturbación de la fibra a una distancia L de la fuente y
detectada por la misma, puede ser calculada mediante la ecuación:
( ) ( ) ⁄ (5)
z
W L
0
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Para calcular la resolución espacial que se puede obtener con el
elemento de medida se consideran el ancho del pulso del OTDR
y es el índice de refracción de la fibra óptica utilizada y el
índice de refracción de la fibra siguiendo esta ecuación:
⁄ (6)
3.2. Medición de la intensidad de la perturbación
En el punto de la perturbación, se genera una curvatura en la fibra
ocasionando pérdidas. A mayor la perturbación mayor la
atenuación de la señal óptica, lo cual es detectado por el OTDR.
Las pérdidas se producen debido a que parte de la energía óptica
se escapa del núcleo de la fibra y parte de la luz que viaja por el
núcleo se refracta (Instituto Universitario de Microelectronica
Aplicada). Se puede medir la intensidad de la perturbación en
términos de curvatura que genera en la fibra. Dicha pérdida se
representa por [Salinas, Et.al, 2003]:
√ (7)
donde R se refiere al radio de curvatura y C1 y C2 son contantes.
Las pérdidas pueden ser muy bajas, pero cuando superan un
umbral se dice que estas pérdidas son elevadas, dicho radio crítico
está definido por:
Para fibra multimodo:
(
)
(8)
Para fibra monomodo:
(
) (
)
(9)
donde n1 y n2 son los índices de refracción del núcleo y el
recubrimiento de la fibra, es la longitud de onda de operación y
es la longitud de onda de corte para dicha fibra monomodo.
4. DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS
EXPERIMENTALES
La configuración experimental que se muestra en la Figura 6 se
utiliza para analizar en un tramo de fibra óptica los eventos
medidos por el OTDR y su posible aplicación en la prevención de
desastres. Se analiza la perturbación en un segmento de fibra de
1 cm, en cuyos extremos se encuentran dos soportes alineados en
el eje horizontal. Sobre uno de los soportes se aplica un peso para
emular un desplazamiento de tierra, generando una diferencia
entre la posición vertical de los dos soportes, produciendo una
curvatura en la fibra. Esta curvatura genera un cambio en la
atenuación que presenta el tramo de fibra. Para una primera
prueba se utilizó una superficie compuesta por espuma de baja
densidad, que emula el efecto de un suelo urbano.
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Figura 6. Montaje experimental luego de someterse a la
perturbación.
La fibra óptica empleada es marca Corning SMF-28 monomodo
que posee una chaqueta protectora que provee una excelente
protección y un fácil manejo. La fibra tiene apertura numérica de
0,14, longitud de onda de corte , e índice de
refracción de grupo . Basados en esa información y
según la Ecuación (9) el radio de curvatura critico es de 3,199µm.
Para asegurar la posibilidad de realizar medidas de forma
distribuidas se debe tener un radio de curvatura mayor a este
valor, garantizando que las pérdidas no atenúen la señal hasta un
valor que no pueda ser medido por el OTDR.
Durante las pruebas se envía una señal a una longitud de onda de
1550 nm, que es el valor en el que la fibra presenta su menor
atenuación. Para medir el efecto de la atenuación se utiliza un
equipo OTDR marca EXFO.
La resolución espacial de medidas se calcula según la Ecuación
(6) tomando un ancho de pulso según las
características del OTDR, obteniendo como resultado una
resolución .
Con el OTDR se midió la atenuación para varios valores de
desplazamiento vertical entre los dos soportes, como se presenta
en la Figura 7. En la Tabla 1 se presentan resultados medidos,
donde se puede observar el aumento de la atenuación al
incrementar la separación entre los soportes, producto de un
incremento en el peso. Sin embargo, se obtuvieron valores muy
diferentes de atenuación para las dos series de muestras realizadas
por cada desplazamiento, por esta razón se configuró una segunda
prueba para realizar las medidas.
Figura 7.Configuración experimental 1 para medidas de pérdidas
por curvatura.
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Tabla 1. Datos obtenidos por la configuración experimental 1
DESPLAZA-
MIENTO
(cm)
ATENUACIÓN
(dB)
Muestra 1
ATENUACIÓN
(dB)
Muestra 2
ATENUACIÓN
(dB)
PROMEDIO
0 0,9 0,6 0,75
1,1 3,4 1 2,2
2 8 5,19 6,595
3,4 14 6,45 10,225
4,1 18 7,1 12,55
4,4 20 7,7 13,85
Para la segunda configuración experimental, se enrolla un trozo
de fibra en una espuma de tal forma que quedan libres sus dos
extremos. En el momento que se presente un desplazamiento de
tierra, debido al cambio en cualquiera de sus dos extremos
(moviendo las cajas en diferentes direcciones) por efectos de
presión, el radio de la fibra enrollada disminuye, creando un nivel
de atenuación que se puede visualizar en el OTDR, como se
visualiza en la Figura 8.
Figura 8. Configuración experimental 2 para medidas con
variaciones del radio de curvatura.
Al comparar la configuración experimental 1 con la configuración
experimental 2, se puede comprobar que la configuración 2 es
más estable y precisa, obteniendo una resolución en la medida de
0,5 cm, es decir se pueden medir movimientos del terreno muy
pequeños.
En la Tabla 2 se presentan los resultados de la configuración
experimental 2, la cual permite de acuerdo al piso del ruido del
OTDR realizar medidas de desplazamiento entre 0 y 4 cm
partiendo de una radio de curvatura de 1cm. Como se observa en
la tabla para el máximo desplazamiento, el radio no se aproxima
al radio crítico, lo que no limitaría la posibilidad de medidas
distribuidas.
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Tabla 2. Datos obtenidos por la configuración experimental 2
RADIO (cm) DESPLAZAMIENTO
(cm)
ATENUACIÓN
(dB)
1 0 0,108
0,920422528 0,5 0,155
0,840845057 1,0 0,282
0,761267585 1,5 0,579
0,681690114 2,0 0,959
0,602112642 2,5 2,046
0,522535171 3,0 5,416
0,442957699 3,5 14,824
0,363380228 4,0 19,394
Se debe resaltar que esta segunda configuración presenta una
tendencia logarítmica lo que facilita la obtención de la medida de
desplazamiento a partir de la medida de potencia entregada por el
OTDR. El cálculo de desplazamiento D en centímetros a partir del
valor de la atenuación At en dB se obtiene a partir de la siguiente
ecuación:
( ) (10)
La Figura 9 presenta los datos obtenidos de la segunda
configuración.
Figura 9. Desplazamiento en función de la atenuación para la
configuración experimental 2.
Por medio de la Figura 9 se comprueba que a menor radio de la
circunferencia mayor es la atenuación, es decir a mayor radio
curvatura en la fibra óptica el haz de luz que es inyectado por el
OTDR se devuelve con una mayor reflexión, obteniendo un
mayor valor de atenuación, obteniendo así una gráfica con un
crecimiento logarítmico.
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5. POTENCIAL DEL DESARROLLO REALIZADO
Nuestra región se ve afectada frecuentemente por deslizamientos
de tierra debido a los cambios climáticos; afectando la calidad de
vida de los habitantes. Este proyecto evalúa la posibilidad de
utilizar la fibra óptica como elemento sensor distribuido, para
tomar medidas en forma remota y en tiempo real, con el cual se
pueda pronosticar movimientos en masa en un área extensa.
Como continuación del proyecto se requiere escalar las medidas a
condiciones reales realizando mediciones de atenuación con
diferentes pesos.
6. CONCLUSIONES
Se utilizó experimentalmente fibra óptica para encontrar
perturbaciones en una superficie por medio del método OTDR y
se evaluaron dos configuraciones para sensar desplazamientos y
movimientos del suelo, para aplicaciones en la prevención de
desastres.
La resolución ofrecida por el OTDR permite detectar
movimientos cada 2 m, permitiendo hacer una distribución sobre
el área a sensar evaluando varios puntos sobre el terreno.
La configuración propuesta basada en el radio de curvatura
presentó variaciones hasta de 4 cm y atenuación de hasta 20 dB,
en caso de requerir medir desplazamientos superiores se requiere
evaluar si se amplía el radio de curvatura inicial o si se requiere
un OTDR con menos piso de ruido. Para usar la fibra óptica como
sensor con el fin de detectar ciertos tipos de movimientos en
masa, es necesario realizar un estudio que permita analizar cuán
factible es la medida en un segmento de tierra por el método
OTDR, y determinar cuál es la configuración ideal al instalar la
fibra, dependiendo del tipo de movimiento que se desea medir y
sobre el cual se desea tener un control para prevenir una situación.
Los dos métodos utilizados para hallar un deslizamiento por
curvatura (configuración experimental 1) o por radio de curvatura
(configuración experimental 2) permiten hacer una prevención
eficaz de cualquier movimiento de tierra, se debe tener en cuenta
que es más preciso el método por radio de curvatura, pues este
permite obtener un valor acertado del movimiento del terreno, con
lo cual se puede llevar un estudio detallado de estos movimientos
y así determinar cuándo va a ocurrir un desastre natural.
Las mediciones se convierten en un factor crítico para garantizar
el óptimo desempeño del modelo experimental, las condiciones
ambientales en las situaciones reales son bastante variables, por lo
que para este caso las mediciones deben poder soportarse en el
modelo experimental para tener una medición confiable.
AGRADECIMIENTO
Los autores agradecen al CIDI – UPB por el patrocinio del
proyecto “Consolidación Línea de Investigación en Fotónica –
UPB” aceptado en la modalidad de proyecto interno. Al Ingeniero
geólogo Remberto Luis Rhenals G. y al diseñador gráfico David
Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 382
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Montoya Betancur por su asesoría y colaboración para el
desarrollo del proyecto.
REFERENCIAS
Grupo de Estándares para Movimientos en Masa (GEMMA). (2007). Movimientos
en masa en la región andina: Una guía para la evaluación de amenzas. Publicación geológica multinacional No. 4. ISSN:0717-3733.En línea:
http://www.ingemmet.gob.pe/Images/zonificacion/GuiaEvaPeligros.pdf
Instituto Universitario de Microelectronica Aplicada. (s.f.). www.iuma.ulpgc.es. Recuperado el 11 de septiembre de 2013, de
http://www.iuma.ulpgc.es/~jrsendra/Docencia/Com_Opt_I/download/C
om_Opt_I/Temario/caracteristicas.pdf
López, R. (2003). Sensor de fibra óptica distribuido para medición de fugas de
hidrocarburos. Tesis PhD Division de Fisica Aplicada.Centr de
Investigación Cientifica y Educacion Superior de Ensenada Apdo.Post No.2732,CP22860,Ensenada,B.C.Mexico.Ensenada,Baja California
2003.
Salinas, I., Lopez, A., Garcés, I., Alonso, R., & Llobera, A. (2003). Estudio teórico y experimental de los mecanismos de atenuación . Universidad de
Zaragoza. Barcelona, España. Recuperado el 12 de Septiembre de
2013, de http://diec.unizar.es/intranet/articulos/uploads/Estudio%20teorico%20y
%20experimental%20de%20los%20mecanismos%20de%20atenuacion
%20de%20guias%20de%20onda%20rib%20ARROW%20curvas.pdf Universidad de San Carlos de Guatemala. (s.f.). www.usac.edu.gt. Recuperado el
12 de Septiembre de 2013, de
http://desastres.usac.edu.gt/documentos/docgt/pdf/spa/doc584/doc584-spa-4.pdf
AUTORES
CASTRILLÓN ZULUAGA, Silvana Alejandra.
Estudiante de octavo semestre de Ingeniería de
Telecomunicaciones en la Universidad
Pontificia Bolivariana. Nacida el 2 de Junio de
1990 en la ciudad de Medellín, realizó sus
estudios de primaria en los colegios Barbara
Micarelli, y el Colegio de la Inmaculada, en el
cual continuó y finalizo sus estudios de bachillerato, durante el mismo
fue reconocida con varias menciones de honor gracias a su rendimiento
académico. Perteneció a la Red de Escuelas durante los años 2001 al
2006, interpretando la Viola. Ganadora del segundo puesto Ingeniar 2007
en la categoría de principiante. Actualmente desempeña el cargo de
presidente de la Rama Estudiantil IEEE UPB y recibió recientemente a
mención a estudiante distinguida en la Facultad de Ingeniería de
Telecomunicaciones 2013.
HERNANDEZ VILLEGAS Julián Andrés.
Estudiante de séptimo semestre de Ingeniería de
telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 28 de
febrero de 1991, realizo estudios de primaria y
bachillerato en el Liceo Salazar y Herrera de
Medellín, actualmente curso último semestre de
tecnología en telecomunicaciones en el instinto
tecnológico metropolitano y participo de los grupos de extensión cultural
de la UPB como vocalista.
Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 383
INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana
NAVARRO JARAMILLO Juanita. Estudiante de
octavo semestre de Ingeniería de
telecomunicaciones. Nacida en Girardota el 5 de
septiembre de 1991, realizo estudios de primaria
y bachillerato en el Instituto Parroquial Nuestra
Señora de la Presentación de Girardota,
obteniendo mención de honor por logros
académicos en diferentes periodos, al igual fue personera estudiantil en
su institución, obteniendo por 3 años seguido medalla de sentido de
pertenencia y medalla de honor y mérito en su último año de estudio,
siempre fue parte de la selección de baloncesto tanto del colegio como de
Girardota.
ORREGO GONZÁLEZ Sergio Iván. Estudiante de
octavo semestre de ingeniería de
telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 7 de
Marzo de 1992, estudios de primaria realizados en
la Universidad Pontifica Bolivariana, y el colegio
Jorge Zeledón Brenes de Costa Rica, logrando el
primer puesto en las pruebas académicas del
Estado en el grado sexto, bachillerato cursado en la UPB obteniendo
mención de honor por logros académicos en diferentes trimestres.
CARMONA RODRIGUEZ, Claudia. Docente
asociada de la Facultad de Ingeniería en
Tecnologías de Información y Comunicación de
la Universidad Pontificia Bolivariana. Miembro
del grupo de investigación GIDATI de la misma
universidad. Ingeniera Electrónica y Especialista
en Telecomunicaciones de la Universidad
Pontificia Bolivariana. Magister en Ingeniería de Telecomunicaciones de
la Universidad de Antioquia.
AMAYA-FERNÁNDEZ, Ferney. Docente asociado
de la Facultad de Ingeniería en Tecnologías de
Información y Comunicación de la Universidad
Pontificia Bolivariana. Miembro del grupo de
investigación GIDATI de la misma universidad.
Ingeniero Electrónico, Magister en Ingeniería de la
Universidad del Valle y Doctor en Ingeniería de la
Universidad Pontificia Bolivariana.
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