定量测量 原位 使用自包含式水下测速仪（SCUVA）进行流场测量

以下实验的总体目标是测量在自然野外环境中由移动或静止物体所诱导的流体运动。该目标通过使用水肺潜水设备来实现，由水肺潜水员在安全潜水范围内进行部署。首先，潜水员识别并游向目标。

在将装置相对于目标对准并调整激光片的位置后，潜水员进行照明，并在潜水结束后开始视频录制，以连续捕捉随时间变化的粒子场。随后下载视频并进行处理，以获得目标周围的速度场。分析结果展示了游泳动物在自然野外环境中通过流体输运所产生的流动情况。

与数字粒子图像、FLOS对称性或DPIV等实验室测量技术相比，使用水肺潜水的主要优势在于，现在可以在自然野外环境中测量流体的运动。这使我们能够回答海洋学和生物学领域中与动物游泳能力、捕食者与猎物相互作用以及生态学相关的关键问题。该方法可用于测量围绕游泳动物、珊瑚虫或底栖生物相互作用的水流。

它还可用于测量人造结构周围的流动。该方法的可视化演示至关重要，因为野外测量难以掌握，需要了解测量技术并适应夜间水肺潜水。开始此操作前，需获取高清（HD）录像带。

确保所有 S 型水下呼吸器组件电量充足且工作正常。使用清洁的毛巾或擦拭布清洁激光器和相机外壳的 O 形圈槽及 O 形圈，并均匀涂抹制造商提供的 O 形圈润滑脂，然后将 O 形圈放回外壳槽中。此外，清洁激光器和相机外壳的开口，以防止激光片层变形以及相机镜头上出现污迹。

接下来，将一次性纸质湿度试纸放入外壳中，以准备进行压力测试。通过将空外壳置于盛满水的容器中来检查O形圈密封性。应在外壳上方放置重物以使其完全浸入水中。

由于外壳在空置5到10分钟后会浮起，需将外壳从水槽中取出并用毛巾擦干外部。通过检查湿度指示条来确认外壳内部是否存在任何湿气。

外壳通过压力测试后，将水肺组件放入外壳内。将高强度放电灯灯 pod 安装到摄像机外壳上。确保灯光的朝向能够照亮摄像机及操作者正前方的区域，同时不会妨碍手柄的握持以及摄像机控制装置的操作。

在低光照环境中，可使用对温度敏感的纸张来确定激光片光的方向。当激光束相对于安装在激光 housing 中的光学透镜正确对准时，激光与透镜组合将产生一个垂直的光平面，该光平面垂直于相机 housing。使用水肺附件以及刚性或可伸缩臂，将激光 housing 与相机 housing 相互连接。确保两个 housing 牢固连接，并且彼此之间无法发生相对旋转。

激光片必须始终保持与相机视场垂直，这一点至关重要。由于目前水下测量技术的限制，为避免自然光对激光的干扰，测量只能在光线较暗的区域或夜间进行。因此，建议在黄昏或之后再进入水中。

入水前请先打开相机防水外壳。相机防水外壳内置电子湿度传感器，当检测到外壳内部有湿气时会提供视觉警示。该传感器仅在相机防水外壳开启时才能工作。

下一步是进入水中，按照书面实验方案所述开始安装设备并设置实验。设备安装完毕后，通过在激光片光中记录一个已知尺寸的物体来校准水下呼吸器（scuba）。潜水结束后，可通过找到目标物并提取校准常数，将视野尺寸的单位从像素转换为厘米。

需要确定环境中的整体流动特性。如果存在水流，其方向将决定设备以及潜水员相对于目标的位置。在测量过程中，可通过观察潜水员呼出的气泡并注意其横向移动，来推断目标周围整体流动的方向。

也可释放少量荧光染料以确定当前水流方向。由于潜水员产生的水流可能成为DPIV测量误差的来源，因此潜水员不应位于目标位置的上游。激光片应与水流方向平行，以最大化粒子在激光片中的停留时间，从而最小化DPIV误差。

然后将 S scuba 定位，以照亮并记录目标周围流体的运动。当目标穿过相机视野时开始录制，录制视频期间避免旋转运动和偏离成像平面的运动。关闭 scuba 的所有组件并将激光臂恢复至缩回位置后，将 scuba 从水中取出，拆下相机和激光外壳与机械臂的连接。

在干燥前用淡水冲洗或浸泡设备，以防止设备生锈。外壳干燥后，从外壳中取出组件，必要时充电并更换电池。若需进行下一次潜水，请将摄像机连接到计算机，并使用高清视频软件包从高清录像带中提取视频。

视频提取完成后，确定需转换为一系列图像以进行数字粒子图像测速（DPIV）分析的视频范围。确保像素纵横比和提取的图像尺寸与高清视频设置相匹配。从潜水前的水下校准中将这些图像导入A-D-P-I-V处理程序。

输入校准常数并选择图像采集参数，这些参数由 DPIV 软件包提示。然后从连续的粒子图像生成速度场。根据测量的质量和类型，在成像正确执行的情况下，还可以应用额外的后处理步骤。

目标周围的粒子图像应清晰且易于分辨，如此处显示的围绕海月水母的原位粒子场所示，结合A-D-P-I-V处理软件包，可揭示目标周围流场的速度场。速度场中的黄色矢量表示局部流速的大小和方向。若采集了足够的视频以提供一系列时间图像，则也可确定相应的时间序列速度场。

不当的成像可能导致 cju 颗粒场不清晰。图中显示的是围绕 missi 的颗粒场。红色箭头指示一个高反射区域，导致图像过饱和，难以区分颗粒与目标物。

另一个成像不当的示例明显体现在围绕此处缺失颗粒的粒子场中，红色箭头指示的区域出现了拖尾现象，这是由于采样频率不足以匹配流速所导致的。掌握该操作流程后，测量可在一至两小时内完成，具体时间取决于潜水时长。然而，在实施该测量技术时，保持适当的中性浮力至关重要，同时在入水前必须充分了解当地的潜水条件。切勿忘记，激光操作具有极高危险性，因此在进行该操作时，必须始终遵守适当的安全预防措施，例如正确校准激光。

通过此操作步骤，可使用 MATLAB 进行后期处理，以回答其他问题，例如能量性能和流量。