Summary
Bu protokol yerinde hayvan oluşturulan akımlarının ölçümü için tasarlanmış bir kendi kendine yeten sualtı velosimetri cihazları (SCUVA) nasıl kullanılacağı hakkında yönergeler sağlar. Buna ek olarak, bu protokol tarla koşullarında yarattığı zorluklar adresleri ve operatör hareket, hayvanlar konumu, tahmin ve SCUVA yönü içerir.
Abstract
Doğrudan bir sıvı ortamda hız alanları ölçmek için yetenek, oşinografi, ekoloji, biyoloji, ve akışkanlar mekaniği gibi çok çeşitli alanlarda çalışmalar için ampirik veri sağlamak için gerekli. Alan ölçümleri, çevre koşulları, hayvan kullanılabilirlik ve sahada uyumlu ölçüm teknikleri için ihtiyaç gibi pratik zorlukları tanıtmak. Bu zorlukları önlemek için, bilim adamları, genellikle hayvansal sıvı etkileşimleri çalışmak için kontrollü laboratuar ortamlarında kullanabilirsiniz. Ancak, bir laboratuarda yapılan ölçümler (alanında oluşur yani), doğal davranış hesapladığım olup olmadığını sorgulamaya mantıklı. Bu nedenle, yerinde kantitatif akış ölçümleri doğal ortamda hayvan yüzme doğru tanımlamak için ihtiyaç vardır.
Biz kendi kendine yeten, yüzeye herhangi bir bağlantı bağımsız çalışan bir taşınabilir aygıt tasarlanmış ve akış alanında surrou kantitatif ölçümler sağlayabilirBir hayvan bulgu. Bu cihaz, kendi kendine yeten bir sualtı velosimetri cihazları (SCUVA), 40 m. derinliklerinde tek bir scuba dalgıcı tarafından kontrol edilebilir Laboratuar ölçümleri ile karşılaştırıldığında, saha koşulları, ek konuları ve hazırlık doğasında eklendi karmaşıklığı nedeniyle gereklidir. Bu değerlendirmeler, ancak yüzme hedefler, mevcut doğal asılı partikül ve ilgi akışına göre SCUVA yönü pozisyonu tahmin operatör hareket, bunlarla sınırlı değildir. Aşağıdaki protokol, bu ortak alanda sorunlara hitap eden ve ölçüm başarı en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmıştır.
Protocol
- Bu yordamı başlamak için, biz bütün SCUVA bileşenleri düzgün yeterli pil gücü, kayıt bantları, (yüksek tanımlı veya HD video kamera) ve fonksiyon sahip olduğunuzdan emin olun. Ölçülecek akışını bağlı olarak, video kamera çözünürlüğü ve, dijital parçacık görüntü velosimetri (DPIV) için en iyi sonuçlar kare hızları seçin. 1,2
- O-ring oluklar ve o-ringler, temiz bir havlu ile temizleme kullanım için lazer ve kamera muhafazaları hazırlayın veya silin. Yayılım üretici eşit o-ring, o-ring gres sağlanan ve onları yerine konut oluklar. Buna ek olarak, kamera muhafazası lens lazer sac deformasyon ve işaretleri önlemek için lazer ve kamera muhafazası diyafram temizleyin.
- , Hem de boş yuvaları su dolu bir küvete koyarak O-ring contaları kontrol edin. Ağırlıklı nesneler boş yuvaları yüzen batığın onları yuvalarının üstüne yerleştirilir gerekecektir. 5 ila 10 dakika sonra, küvet ve havlu kuru t yuvaları kaldırmakdışarıda diye. Muhafazalar içinde herhangi bir nem olup olmadığını kontrol edin. Ayrıca nem testinden sonra yuvaları olup olmadığını göstermek için basınç testi sırasında tek kullanımlık, kağıt nem şeritler kullanmayı düşünün.
- Muhafazalar basınç testi geçtikten sonra, muhafazalar içinde SCUVA bileşenlerini yerleştirin.
- Kamera muhafazası takın yüksek yoğunluklu deşarj (HID) hafif bölmeler. Işıkları doğrudan önde kamera ve operatör alanı aydınlatmak şekilde odaklı ve kolları ve kamera kontrollerinin çalışma kavrama sağlayacak şekilde karışmaz emin olun.
- Düşük ışık ortamında, lazer ışını, lazer konut yüklü optik lens göre hizalı olduğundan emin olun. Düzgün hizalanmış ışık, lazer / lens kombinasyonu kamera muhafazası dik odaklı dikey bir sayfa yaratacaktır. Güvenliğiniz için, lazer sac yönünü belirlemek için, bir kağıt ısıya duyarlı sayfasını kullanabilirsiniz. SCUVA ekleri ve sert, genişletilebilir kolu kullanarak lazer konut ve kamera muhafazası, birbirine bağlayın. Gövdelerin sıkıca bağlı olduğunu ve yuvaları birbirine saygı ile döndürmek olamayacağını olun. Bu lazer sac ölçüm boyunca kameranın görüş alanına dik odaklı kalmasını kritik öneme sahiptir.
- SCUVA mevcut yetenekleri nedeniyle, ölçüm dalış sadece lazer sac ile doğal ışık girişimi önlemek için, düşük ışık yerlerde veya gece yapılan olabilir. Bu nedenle, suya girmeden önce alacakaranlıkta kadar ya da daha sonra bekleyen tavsiye ederiz.
- Suya girmeden önce kamera muhafazası açın. Kamera muhafazası, kamera muhafazası, nem halinde (LED ışıkları yanıp sönüyor) görsel uyarılar sağlar yerleşik bir elektronik nem sensörü vardır. Sensör, kamera muhafazası açıkken çalışır.
- Kaptırın su SCUVA ve kendiniz kullanarak aparat takınbir çizgi. Cihazın takılı sonra, SCUVA, cihazın yüzerlik özelliklerini belirlemek için bırakın. Yüzerlik özelliklerine bağlı olarak, kaldırma kuvveti köpük eklemek veya nötr yüzerlik sağlamak ve su cihazın dönüşü önlemek için bir ya da iki yuvaları ağırlıkları yol.
- Sonra, lazer açın ve cihazın sabit tutun. Dalgıç dalgıç bağlı akımlarının ölçümü en aza indirmek için yeteri kadar uzatılabilir kolu kullanarak lazer yerleştirin. Hedefe yakın dalgıç bağlı mı döküldüğü herhangi bir ölçüm hatası tanıtmak ve sonraki analiz için kullanılmaz. Kamera zoom görünüm çerçeveleri hedef alan ve çevresindeki sıvıdan kadar ayarlayın.
- Cihazın sabit tutarken parçacıklar keskin görünür ve odak kadar video kamera, lazer kağıda odağı. Lazer sac uçak odak sonra manuel netleme modu için kamera geçin. Bu kamera alanında görünen herhangi bir nesne refocusing önleyeceklazer sac bulanık parçacıkları, ölçüm sırasında görüntüleyebilirsiniz.
- SCUVA kalibre etmek için, lazer sac bilinen boyutları ile video kameranın görüş alanı içinde bir nesne yerleştirin. Birkaç saniye boyunca kaydedin. Dalıştan sonra, bir görüntü, görüntüleme alanında cm piksel birimleri dönüştürür bir kalibrasyon sabiti belirlemek için bu video dizisi çıkartılacaktır. Herhangi bir zamanda operatör görüntüleme alanında dalış sırasında yeniden pozisyon uzatılabilir kol veya kamera zum değişen ayarlar varsa, 12 ve 13. adımları tekrar edilmesi gerekir.
- Çalışma derinliği azalan dalış başlayın. Bir hedef bulma üzerine, çevre toplu akış özellikleri tespit edilmesi gerekmektedir. Varsa, akım yönü ölçümleri sırasında hedef göre aparat ve dalgıç konumlandırma belirleyecektir. Hedef çevresindeki toplu akış yönü kabarcıkları dalgıç ekshale gözlemleyerek ve onların yanal hareket belirterek anlaşılmaktadır. Içindekabarcıkları yanı sıra, küçük bir miktar (yani, floresein) floresan boya akım yönünü belirlemek için çıkacak. Dalgıç dalgıç akışı DPIV ölçüm hata kaynağı olabilir bu yana, hedef yukarı yer olmamalıdır. Buna ek olarak, lazer sac böylece DPIV hataları en aza indirerek, lazer sac içinde partikül kalma süresi maksimize şekilde akım yönüne paralel olarak yerleştirilmiş olmalıdır. Ancak herhangi bir akım veya toplu akış varsa, dalgıç ve hedefe göre SCUVA konumlandırma sınırsız.
- Pozisyonu SCUVA aydınlatmak ve bir hedef etrafında sıvı hareket kaydetmek için. Hareketsiz kalarak hareketli bir hedef etrafındaki akışı kaydetmek için çalışan ilk tahmin edilen konumu, hedef konumu ve ardından pozisyonu SCUVA tahmin. Hedef, kamera görüş alanı üzerinden hareket ettikçe, kayıt başlar. Video kamera ve hedef hareketsiz ise, hedef ve çevresindeki sıvıdan çerçeveye# X2019; s alanında hareketsiz kalan kayıt sırasında görüntülemek ve başlamak. Operatör, video kaydı sırasında hatalı DPIV sonuçları bu hareketleri sonucu bu yana dönme ve out-of-düzlemi hareketlerden kaçınmalıdır. Bu nedenle, ölçümler sırasında toplanan dönme ve dışarı düzlem dalgıç hareketleri daha fazla veri analizi için kullanılabilir olmaz.
- Video koleksiyonunuzu tamamlandıktan sonra, SCUVA tüm bileşenleri kapatın ve retrakte pozisyonda lazer kolu geri. SCUVA sudan çıkarın ve kol, kamera ve lazer yuvaları ayırmak. Durulayın ya da aparatın paslanmasını önlemek için kurumadan taze su aparatı emmek. Gövdelerin kurutulur sonra yuvaları bileşenleri kaldırmak ve şarj ve başka bir dalış için gerekli olan pilleri değiştirin.
- Bir bilgisayara bağlayın ve video kamera, bir HD video yazılım paketi (örneğin, Adobe Premiere Pro ya da iMovie) kullanarak HD kaset video ayıklamak. Video ayıklanır sonra, aralık belirlemekvideo DPIV analizi için bir dizi görüntüyü dönüştürülecek. Piksel en boy oranları ve çıkarılan görüntü boyutları HD video ayarlarını uygun olduğundan emin olun.
- Bu görüntüler bir DPIV işleme programı (yani, Davis veya MatPIV) ithal edilmektedir. Kalibrasyon sabiti ve DPIV yazılım paketi istenirse görüntü yakalama parametreleri düzgün seçiminden sonra, hız alanları, ardışık parçacık görüntüler oluşturulabilir. Ölçümlerin kalitesi ve türleri bağlı olarak ek post-processing adımlar, aynı zamanda uygulanabilir. 3
Temsilcisi Sonuçlar:
Protokolü doğru yapıldığında, hedef etrafındaki parçacık görüntülerin keskin ve ayırt etmek kolay olacaktır. SCUVA video kamera (Şekil 1A) ve bir DPIV işleme yazılım paketi, hedef etrafındaki akışı (Şekil 1B) hızı alanları yerinde yakalanan parçacık alanları kullanarak ortaya çıkacaktır. Veloci Vektörlerty alan yerel akış hızının büyüklüğü ve yönü göstermektedir. Yeterli video görüntülerin bir zaman serisi sağlamak için toplanır, bir zaman serisi hız alanları da tespit edilebilir.
Şekil 1 Aurelia labiata çevreleyen yerinde parçacık alanlar (A) ölçülmüştür. Akış yönü ve büyüklüğü gösteren sarı vektörlerle Sorumlu hız alan (B).
Mastigias sp çevreleyen yerinde parçacık alanlarına Şekil 2 ve Solmissus sp (A ve B, sırasıyla). A kırmızı ok, zor parçacıklar ve hedef arasında ayrım yapma, görüntü doygunluğu sonuçları yüksek yansıtma bir bölge olduğunu gösterir. B Kırmızı ok, akış hızı o zaman sonuç şeritli bir bölge olduğunu gösteriryeterince yüksek bir frekansta örneklenmiş.
Discussion
Alanında olası bir kısıtlama dijital parçacık görüntü velosimetri (DPIV) uygulanması için gerekli akışı içinde parçacıklar, ihtiyaç vardır. Kıyı su, asılı partikül madde boyutları, çapı 10 mm ve 0.002 mm 3 başına 10 arasındaki konsantrasyonlarda sipariş üzerine sergiler. Parçacıklar ekim okyanus suyunda DPIV gerçekleştirmek için yeterli varlığını doğrulamak parçacık tespiti için bir dalgıç holocamera kullanarak 4 Ek çalışmalar . 5, açık deniz ve kıyı okyanus dalış sırasında, parçacık yoğunlukları ve boyutlarını yerinde DPIV yürütmek için bir kısıtlama olmadığını bulduk .
Kenara parçacık yoğunlukları ve boyutları, DPIV ölçümleri ile ilgili bir başka endişe partikül konsantrasyonlarının homojenlik.
Niteliksel bir sorgulama penceresi içinde bir bölgede diğerinden daha büyük parçacık konsantrasyonları varsa, hız büyüklüğü D tarafından oluşturulanPIV analizi yüksek partikül konsantrasyonları ile bölgeye yönelik önyargılı olacaktır. Bu nedenle, partikül konsantrasyonu değişkenliği en aza SCUVA ölçümleri yapılmalıdır. Biz thatcle konsantrasyonları, dalgıç su sütunun ortasında askıya Dalışlar sırasında nispeten sabit olan partikül konsantrasyonları boyunca görece sabit olduğu bulundu. Ancak, bentik ortamlarda partikül alanları, deniz yere yakın çevre ya da dalgıç bağlı akar partiküllerin havaya karışmasından dolayı homojen bir potansiyele sahip. Bentik ortamlarda ölçümler sırasında parçacıkların kesintileri en aza indirmek için alınması gerekir. Yazarların bilgi için, homojen olmayan partikül konsantrasyon alanları tarafından oluşturulan hataları resmi bir analiz laboratuar veya saha koşullarında da yapılmış değil, ayrı bir yayın üzerinde daha fazla düşünülmesi için bir konu olmalıdır.
Hazırlanması ve zaman birkaç farklı konular göz önünde bulundurulmalıdırprotokolü kullanılarak yerinde deneyler yürütmek. Kaydederken, operatör sabit kalır ve tüm out-of-düzlem ve dönme hareketi kaçınmaları talimatı verilir. Bu istek, pratikte, teoride basit ama zor olduğunu ve bu ölçümler başarıyla tamamlanması için ileri dalış beceri gerektirir. Out-of düzlem ve dönme hareketleri, hatalı DPIV veri operatör sonucu. Ancak, düzlem hareketleri, ev yazılımını kullanarak düzeltilebilir. 6 operatör SCUVA ölçüm verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için kullanmadan önce birkaç dalış için yüzerlik kontrol uygulaması tavsiye edilir .
Yüzerlik hususlar yanı sıra, operatör, hedef akış yönü farkında olmalıdır. Lazer sayfasına göre düzlem-dışı seyahat Akımları güvenilir DPIV sonuç vermeyecektir ve operatörü yönlendirmek SCUVA en etkili bu akımlarını yakalamak için. Buna ek olarak, hedefe göre dalgıç pozisyonu selecte olmalıdırd ölçümlerde dalgıç bağlı akışını en aza indirmek için. Diver-indüklenen akışı hedef akımında hata tanıtır ve dalgıç etkileri şunlardır ölçümleri daha fazla analiz için kullanılmamalıdır.
Hedef son derece yansıtıcı bir yüzey olması halinde, hedef etrafındaki sıvı bölge zor çevreleyen sıvının (kırmızı ok Şekil 2A ile gösterilen bölge) yakındaki bireysel partikülleri ayırmak için, ışıklı olacaktır. Filtreler veya polarize video kamera sensörü tarafından yakalanan lazer ışık yoğunluğunu azaltmak için lazer veya kamera muhafazaları eklenebilir. Lojistik kısıtlamalar ve ekipman, ev yazılımını kullanarak görüntüleri post-processing erişimin sınırlı olması nedeniyle bu mümkün değilse görüntüleri hedefe yakın yükseltilmiş piksel yoğunlukları çıkarılarak yeterli düzeltme sağlayabilir. DPIV veri kalitesini etkileyen bir diğer dikkate parçacık çizgiler var olup olmadığını. Eğer parçacıkalanları şeritli bölgeleri (kırmızı ok Şekil 2B ile gösterilen), video kamera, bu yüksek hızları çözmek için çok düşük bir kare hızında kayıt. Kare hızını artırarak, parçacık şeritli azaltılabilir. Ancak, ışık, video kamera sensörü ulaşan ve parçacık alan sönük görünmesine neden olmaktadır azalmaya neden olur. Video kamera diyafram ayarlarını elle ayarlamak için yeteneği varsa, parçacık alan karartma önlemek için diyafram ayarını artırmak. En uygun cihaz ayarlarını belirlenmesi başarılı veri toplama önce SCUVA ile birden fazla dalış gerekebilir.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu araştırma (Ulusal Bilim JOD verilen Vakfı (OCE-0.623.475), SPC (OCE-0.623.534 ve 0.727.544) ve JHC (OCE-0.727.587 ve OCE-0.623.508) tarafından desteklenen ve Deniz Araştırma Ofisi tarafından JHC verilir. N000140810654). KK Devonshire Vakfı tarafından sağlanan fon ile Woods Hole Oşinografi Enstitüsü Doktora Sonrası Scholar Programı tarafından desteklenmektedir.
References
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).
- Willert, C. E., Gharib, M. Digital particle image velocimetry. Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer. New York. (2007).
- Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. Laser diffraction particle sizing in STRESS. Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).
- Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean. Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).
- Katija, K., Dabiri, J. O. In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA). Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).
