Name: 定量测量原位流动，使用一个自包含的水下测速仪（SCUVA） (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: 学习使用自包含水下测速仪（SCUVA）在自然环境中定量测量动物产生的流体运动。该方法通过潜水员部署激光片和高速摄像技术，实现原位流速场分析，为海洋生物学和生态学研究提供关键数据支持。

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本研究由美国国家科学基金会资助，资助对象为 JOD（OCE-0623475）、SPC（OCE-0623534 和 0727544）以及 JHC（OCE-0727587 和 OCE-0623508），同时由美国海军研究办公室向 JHC 提供资助（N000140810654）。KK 由伍兹霍尔海洋研究所的博士后学者项目支持，经费由德文郡基金会提供。

<ol>
	<li>开始此操作前，确保所有SCUVA组件均具有充足的电池电量、录像磁带（用于高清或HD摄像机），并能正常工作。根据待测流场情况，选择可为数字粒子图像测速（DPIV）提供最佳结果的摄像机分辨率和帧率。1,2</li>
	<li>使用干净的毛巾或擦拭布清洁O形圈凹槽和O形圈，以准备激光器和摄像机外壳的使用。将制造商提供的O形圈润滑脂均匀涂抹在O形圈上，并将其重新安装至外壳凹槽中。此外，清洁激光器和摄像机外壳的开口，以防止激光片变形以及摄像机镜头外壳上出现污迹。</li>
 <li>通过将两个空外壳放入盛满水的水槽中检查O形圈密封性。由于外壳为空时会漂浮，需在顶部放置配重物体使其完全浸没。5至10分钟后，将外壳从水槽中取出，并用毛巾擦干外部。检查外壳内部是否存在任何湿气。此外，建议在压力测试期间使用一次性纸质湿度试纸，以检测测试后外壳内是否有湿气。</li>
 <li>外壳通过压力测试后，将SCUVA组件放入外壳中。</li>
 <li>将高强度放电（HID）照明灯连接至摄像机外壳。确保灯光朝向能够直接照亮摄像机及操作者前方区域，同时不影响手柄握持和摄像机控制装置的操作。</li>
 <li>在低光照环境中，确保激光束相对于安装在激光器外壳中的光学镜头正确对准。当对准正确时，激光与镜头组合将产生一个垂直于摄像机外壳的竖直光片。出于安全考虑，使用对温度敏感的纸张来确定激光光片的方向。</li>
 <li>利用SCUVA连接件和刚性可伸缩臂，将激光器外壳与摄像机外壳相互连接。确保外壳牢固连接，且彼此之间无法旋转。在整个测量过程中，保持激光光片始终垂直于摄像机视场方向至关重要。</li>
 <li>由于当前SCUVA的功能限制，测量潜水只能在低光环境或夜间进行，以避免自然光对激光光片的干扰。因此，建议在黄昏或更晚时间再进入水中。</li>
 <li>入水前打开摄像机外壳。摄像机外壳内置电子湿度传感器，当外壳内部进水时会提供视觉警告（LED灯闪烁）。该传感器仅在摄像机外壳开启时工作。</li>
 <li>将SCUVA浸入水中，并使用绳索将其固定在操作者身上。固定装置后，释放SCUVA以确定设备的浮力特性。根据浮力特性，在一个或两个外壳上安装浮力泡沫或铅块，以确保中性浮力，并防止设备在水中发生旋转。</li>
 <li>随后，开启激光器并保持装置静止。利用可伸缩臂将激光器调整至远离潜水员的位置，以最小化对潜水员诱导流场的测量。任何对目标附近潜水员诱导流场的测量均会引入误差，不得用于后续分析。调节摄像机变焦，使视场范围包含目标及其周围流体。</li>
 <li>在保持装置静止的同时，对摄像机进行对焦，直至粒子图像清晰锐利。当激光光片平面清晰对焦后，将摄像机切换至手动对焦模式。这可防止摄像机在测量过程中因视场内出现其他物体而重新对焦，从而避免激光光片中粒子图像模糊。</li>
 <li>为校准SCUVA，将一个已知尺寸的物体置于摄像机视场范围内的激光光片中，记录数秒视频。潜水结束后，将从该视频序列中提取一幅图像，以确定将视场尺寸从像素单位转换为厘米的校准常数。若操作者在潜水过程中通过调整可伸缩臂位置或改变摄像机变焦而改变了视场尺寸，则需重复步骤12和13。</li>
 <li>通过下潜至工作深度开始潜水。发现目标后，需确定环境中的主流流场特性。若存在水流，其方向将决定测量期间装置和潜水员相对于目标的位置。可通过观察潜水员呼出的气泡及其横向运动来推断目标周围主流方向。除气泡外，还可释放少量荧光染料（如荧光素）以确定水流方向。由于潜水员产生的流动可能引起DPIV测量误差，潜水员不应位于目标的上游方向。此外，激光光片应与水流方向平行，以最大化粒子在光片内的停留时间，从而减少DPIV误差。然而，若无水流或主流场存在，则潜水员与SCUVA相对于目标的位置不受限制。</li>
 <li>将SCUVA定位，以照亮并记录目标周围流体的运动。若试图记录移动目标周围的流动，应首先预测目标的位置，然后在保持静止状态下将SCUVA移至预测位置。当目标穿过摄像机视场时，开始记录。若目标静止不动，则将目标及其周围流体置于摄像机视场范围内，并在保持静止状态下开始记录。操作者在视频录制期间应避免旋转运动和面外运动，因为这些运动会导致错误的DPIV结果。因此，在潜水员发生旋转或面外运动期间采集的测量数据将不用于进一步的数据分析。</li>
 <li>视频采集完成后，关闭SCUVA所有组件，并将激光臂恢复至收缩位置。将SCUVA从水中取出，并将摄像机和激光器外壳从臂上拆下。用淡水冲洗或浸泡装置，以防止设备生锈。外壳干燥后，从外壳中取出组件，并根据需要为下一次潜水充电或更换电池。</li>
 <li>将摄像机连接至计算机，并使用高清视频软件包（如Adobe Premiere Pro或iMovie）从高清磁带上提取视频。视频提取完成后，确定需转换为一系列图像以进行DPIV分析的视频范围。确保像素宽高比和提取图像尺寸与高清视频设置相匹配。</li>
 <li>将这些图像导入DPIV处理程序（如DaVis或MatPIV）。在DPIV软件提示下正确输入校准常数和图像采集参数后，可由连续的粒子图像生成速度场。根据测量质量和类型，还可应用额外的后处理步骤。3</li>
</ol>
代表性结果：
当实验方案正确执行时，目标周围颗粒的图像将清晰且易于分辨。利用所捕获的颗粒场图像 原位 通过SCUVA的摄像机（图1A）和DPIV处理软件包，可揭示目标周围流场的速度场（图1B）。速度场中的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。
<img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig1.jpg" alt="荧光流场可视化，流体动力学实验中的粒子追踪，矢量场分析。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 图1
 测量的 原位 粒子场（A）周围 Aurelia labiata相应的速度场（B），其中黄色箭头表示流动方向和大小。
<img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig2.jpg" alt="生物发光研究；A：水母横切面；B：水母触手；荧光成像。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 图 2 原位 颗粒场围绕 Mastigias sp. 和 Solmissus sp.（分别为 A 和 B）。A 中的红色箭头指示高反射区域，导致图像饱和，难以区分颗粒与目标物。B 中的红色箭头指示条纹区域，这是由于采样频率不足导致流速测量出现拖影现象。

<ol><li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle-imaging+techniques+for+experimental+fluid+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).</li>
<li>Willert, C. E., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Digital particle image velocimetry.</a> Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+Image+Velocimetry%3A+A+Practical+Guide%22">Particle Image Velocimetry: A Practical Guide</a>. , Springer. New York. (2007).</li>
<li>Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+diffraction+particle+sizing+in+STRESS%5BTitle%5D)+AND+%22Cont.+Shelf+Res%22%5BJournal%5D)">Laser diffraction particle sizing in STRESS.</a> Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).</li>
<li>Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Submersible+holocamera+for+detection+of+particle+characteristics+and+motions+in+the+ocean%5BTitle%5D)+AND+%22Deep+Sea+Res%22%5BJournal%5D)">Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean.</a> Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).</li>
<li>Katija, K., Dabiri, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+field+measurements+of+aquatic+animal-fluid+interactions+using+a+self-contained+underwater+velocimetry+apparatus+%28SCUVA%29%5BTitle%5D)+AND+%22Limnol.+Oceanogr.-Meth%22%5BJournal%5D)">In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA).</a> Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

该领域的一个潜在限制是流动中需要存在颗粒，因为这是实施数字粒子图像测速（DPIV）的必要条件。在近海水体中，悬浮颗粒物的粒径约为10 μm，浓度介于每立方毫米0.002至10个之间。3.4 使用水下全息相机进行粒子检测的附加研究表明，海洋水中存在足量的示踪粒子，可满足数字粒子图像测速（DPIV）的实施要求。5 在开阔海域和近海海洋潜水过程中，我们发现颗粒物的密度和尺寸并不影响开展 原位 DPIV
除了颗粒密度和尺寸外，与DPIV测量相关的另一个问题是颗粒浓度的均匀性。
定性而言，如果 interrogation window 内某一区域的颗粒浓度高于另一区域，则 DPIV 分析生成的速度幅值将偏向于颗粒浓度较高的区域。因此，SCUVA 测量必须在颗粒浓度变化最小的条件下进行。我们发现，在潜水员悬浮于水体中层的下潜过程中，颗粒浓度相对恒定。然而，在底栖环境中，由于环境流动或潜水员引起的近海底水流导致颗粒再悬浮，颗粒场可能存在非均匀性。在底栖环境测量过程中，必须尽量减少对颗粒的扰动。据作者所知，目前尚未在实验室或野外条件下对非均匀颗粒浓度场引起的误差进行过系统分析，该问题应在另一篇独立出版物中进一步探讨。
在准备和实施过程中，应考虑若干不同问题 原位 使用该方案进行实验时，操作者在记录过程中需保持静止，避免任何平面外运动和旋转运动。这一要求理论上简单，但在实践中较难实现，且这些测量需要高超的潜水技能才能成功完成。操作者的平面外运动和旋转运动会引发错误的DPIV数据，而平面内运动则可通过自主开发的软件进行校正。6 建议操作者在使用SCUVA前进行数次潜水练习，以掌握浮力控制，从而最大限度地提高测量效率。
除了浮力因素外，操作者还应了解目标流体的流动方向。相对于激光片光源而言，流动方向若偏离成像平面，则无法获得可靠的DPIV结果，因此操作者应调整SCUVA的方向，以最有效地捕捉此类流动。此外，必须选择潜水员相对于目标的合适位置，以尽量减少潜水员自身运动对测量区域流场的干扰。潜水员引起的附加流动会干扰目标流场，引入测量误差，因此包含潜水员干扰效应的测量数据不应用于后续分析。
如果目标物具有高反射性表面，则目标周围的流体区域会被强烈照亮，导致难以将邻近的单个粒子与周围流体区分开来（红色箭头所示区域，图2A）。可在激光器或相机外壳上加装滤光片或偏振器，以降低视频相机传感器捕获的激光光强。若因后勤限制或设备获取受限而无法实现此操作，则可通过使用自主开发的软件对图像进行后期处理，从图像中减去目标附近升高的像素强度，从而实现足够的校正。另一个影响DPIV数据质量的因素是是否存在粒子拖尾现象。如果粒子场中出现拖尾区域（红色箭头所示，图2B），说明视频相机的帧率过低，无法解析这些高速运动。通过提高帧率，可减少粒子拖尾现象。然而，这会导致到达视频相机传感器的光量减少，使粒子场看起来更暗。如果视频相机具备手动设置光圈的功能，应增大光圈值以防止粒子场变暗。确定最佳设备参数可能需要在成功采集数据前，使用SCUVA进行多次下潜实验。

定量测量 原位 使用自包含式水下测速仪（scuva）进行流场测量

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

直接测量流体环境中速度场的能力，对于海洋学、生态学、生物学和流体力学等广泛领域的研究提供实证数据至关重要。野外测量会带来一系列实际挑战，例如环境条件的限制、实验动物的可获得性，以及需要具备适用于野外的测量技术。为避免这些挑战，科学家通常采用受控的实验室环境来研究动物与流体之间的相互作用。然而，人们有理由质疑是否能够从实验室测量结果外推出自然状态下的行为（即在野外发生的行为）。因此，需要在原位（in situ）进行定量的流动测量，以准确描述动物在自然环境中的游动行为。
我们设计了一种独立、便携的装置，无需连接水面即可运行，并能提供动物周围流场的定量测量数据。该装置称为自包含式水下测速仪（SCUVA），可由一名潜水员在水深达40米处独立操作。由于野外环境本身具有更高的复杂性，与实验室测量相比，需要额外的考虑和准备工作。这些因素包括但不限于操作者自身的运动、对游动目标位置的预测、环境中可利用的天然悬浮颗粒物，以及SCUVA相对于目标流场的方向。以下实验方案旨在应对这些常见的野外挑战，以最大程度地确保测量成功。

本方案提供了使用自包含式水下测速装置（SCUVA）的详细说明，该装置专为量化水下流场速度而设计 原位 动物产生的水流。此外，本方案还针对野外条件下存在的挑战，包括操作者移动、动物位置的预测以及SCUVA的方向定位。

定量测量 原位 使用自包含式水下测速仪（SCUVA）进行流场测量

直接测量流体环境中速度场的能力，对于从诸多领域（如……）的研究提供实证数据而言至关重要。

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。

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