Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (SCUVA)

Podsumowanie

Niniejszy protokół zawiera instrukcje dotyczące obsługi autonomicznego urządzenia do pomiaru prędkości przepływu pod wodą (SCUVA), które zostało zaprojektowane do kwantyfikacji przepływów generowanych przez zwierzęta in situ. Ponadto protokół ten odnosi się do wyzwań wynikających z warunków terenowych, w tym do ruchów operatora, przewidywania pozycji zwierząt oraz orientacji urządzenia SCUVA.

Streszczenie

Zdolność do bezpośredniego pomiaru pól prędkości w środowisku płynnym jest niezbędna do dostarczenia danych empirycznych dla badań w dziedzinach tak różnorodnych jak oceanografia, ekologia, biologia i mechanika płynów. Pomiary terenowe niosą ze sobą wyzwania praktyczne, takie jak warunki środowiskowe, dostępność zwierząt oraz potrzeba stosowania technik pomiarowych kompatybilnych z warunkami polowymi. Aby uniknąć tych trudności, naukowcy zazwyczaj wykorzystują kontrolowane warunki laboratoryjne do badania interakcji między zwierzętami a płynem. Słuszne jest jednak pytanie, czy można ekstrapolować naturalne zachowania (tzn. te występujące w terenie) na podstawie pomiarów laboratoryjnych. Dlatego też niezbędne są ilościowe pomiary przepływu in situ, aby dokładnie opisać pływanie zwierząt w ich naturalnym środowisku.

Zaprojektowaliśmy autonomiczne, przenośne urządzenie, które działa niezależnie od jakiegokolwiek połączenia z powierzchnią i może dostarczać ilościowych pomiarów pola przepływu wokół zwierzęcia. Aparatura ta, autonomiczny podwodny aparat welocymetryczny (SCUVA), może być obsługiwana przez jednego nurka w głębokościach do 40 m. Ze względu na dodatkową złożoność wynikającą z warunków terenowych, w porównaniu z pomiarami laboratoryjnymi wymagane są dodatkowe rozważania i przygotowania. Obejmują one między innymi ruch operatora, przewidywanie pozycji pływających obiektów, dostępność naturalnych cząstek zawieszonych oraz orientację SCUVA względem badanego przepływu. Poniższy protokół ma na celu rozwiązanie tych typowych problemów terenowych i zmaksymalizowanie sukcesu pomiarowego.

Protokół

1. Aby rozpocząć tę procedurę, należy upewnić się, że wszystkie komponenty SCUVA mają wystarczający zapas energii w akumulatorach, taśmę nagrywającą (w przypadku kamery wideo wysokiej rozdzielczości HD) i funkcjonują prawidłowo. W zależności od przepływów przeznaczonych do pomiaru, należy wybrać rozdzielczość kamery wideo oraz liczbę klatek na sekundę, które zapewnią najlepsze wyniki dla cyfrowej welocymetrii obrazu cząstek (DPIV).^1,2
2. Przygotować obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki uszczelniające oraz pierścienie o-ring czystym ręcznikiem lub ściereczką. Należy równomiernie nałożyć dostarczony przez producenta smar do o-ringów na pierścienie i umieścić je z powrotem w rowkach obudowy. Ponadto należy wyczyścić otwory obudowy lasera i kamery, aby zapobiec deformacji arkusza lasera i powstaniu śladów na soczewce obudowy kamery.
3. Sprawdzić szczelność o-ringów, umieszczając obie puste obudowy w wannie z wodą. Na wierzchu obudów należy położyć obciążniki, aby je zanurzyć, ponieważ puste obudowy pływają. Po 5 do 10 minutach należy wyjąć obudowy z wanny i osuszyć ich zewnętrzną stronę ręcznikiem. Należy sprawdzić, czy wewnątrz obudów nie pojawiła się wilgoć. Podczas testu ciśnieniowego można również zastosować jednorazowe papierowe paski wskaźniki wilgotności, aby określić, czy po teście w obudowach znajduje się wilgoć.
4. Po pozytywnym przejściu testu ciśnieniowego należy umieścić komponenty SCUVA wewnątrz obudów.
5. Do obudowy kamery należy przymocować moduły oświetlenia wysokoprądowego (HID). Należy upewnić się, że lampy są zorientowane w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem oraz nie utrudniały chwytu uchwytów i obsługi sterowania kamerą.
6. W środowisku o słabym oświetleniu należy upewnić się, że wiązka lasera jest prawidłowo wyrównana względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera. Przy prawidłowym wyrównaniu kombinacja laser/soczewka stworzy pionowy arkusz światła zorientowany prostopadle do obudowy kamery. Ze względów bezpieczeństwa, do określenia orientacji arkusza lasera należy użyć termoczułego arkusza papieru.
7. Za pomocą akcesoriów SCUVA i sztywnego, wysuwanego ramienia należy połączyć obudowę lasera z obudową kamery. Należy upewnić się, że obudowy są mocno przymocowane i nie mogą obracać się względem siebie. Jest krytyczne, aby arkusz lasera pozostał zorientowany prostopadle do pola widzenia kamery przez cały czas trwania pomiaru.
8. Ze względu na obecne możliwości systemu SCUVA, nurkowania pomiarowe mogą być przeprowadzane wyłącznie w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec zakłócaniu arkusza lasera przez światło naturalne. Dlatego zaleca się poczekać do zmierzchu lub później przed wejściem do wody.
9. Przed wejściem do wody należy włączyć obudowę kamery. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgoci, który ostrzega wizualnie (migające diody LED) w przypadku pojawienia się wilgoci wewnątrz. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest włączona.
10. Zanurzyć SCUVA w wodzie i przymocować aparat do siebie za pomocą linki. Po przymocowaniu do aparatu, należy zwolnić SCUVA, aby określić charakterystykę wyporności urządzenia. W zależności od wyporności, do jednej lub obu obudów należy przymocować piankę wyporną lub obciążniki ołowiane, aby zapewnić wyporność neutralną i zapobiec obrotowi aparatu w wodzie.
11. Następnie należy włączyć laser i utrzymać aparat w bezruchu. Za pomocą wysuwanego ramienia należy ustawić laser w wystarczającej odległości od nurka, aby zminimalizować pomiar przepływów wywołanych przez nurka. Wszelkie pomiary przepływów indukowanych przez nurka w pobliżu celu wprowadzają błąd i nie są wykorzystywane w późniejszej analizie. Należy dostosować zoom kamery tak, aby pole widzenia obejmowało cel i otaczający go płyn.
12. Utrzymując aparat w bezruchu, należy ustawić ostrość kamery wideo na arkuszu lasera, aż cząstki staną się wyraźne i ostre. Po ustawieniu ostrości na płaszczyźnie arkusza lasera, należy przełączyć kamerę w tryb manualnego ustawiania ostrości. Zapobiegnie to ponownemu ustawianiu ostrości przez kamerę na obiektach pojawiających się w polu widzenia podczas pomiaru, co skutkowałoby rozmyciem cząstek w arkuszu lasera.
13. Aby skalibrować SCUVA, należy umieścić obiekt o znanych wymiarach w arkuszu lasera w polu widzenia kamery wideo. Należy nagrywać przez kilka sekund. Po nurkowaniu z tej sekwencji wideo zostanie wyekstrahowany obraz w celu wyznaczenia stałej kalibracji, która przelicza rozmiar pola widzenia z pikseli na cm. Jeśli operator w dowolnym momencie zmieni rozmiar pola widzenia poprzez zmianę pozycji wysuwanego ramienia lub zmianę zoomu kamery podczas nurkowania, kroki 12 i 13 będą musiały zostać powtórzone.
14. Nurkowanie należy rozpocząć od zejścia na głębokość roboczą. Po znalezieniu celu należy określić właściwości głównego przepływu środowiskowego. Jeśli występuje prąd, jego kierunek narzuci pozycjonowanie aparatu i nurka względem celu podczas pomiarów. Kierunek głównego przepływu otaczającego cel można wywnioskować, obserwując bąbelki wydychane przez nurka i odnotowując ich ruch boczny. Oprócz bąbelków można uwolnić niewielką ilość barwnika fluorescencyjnego (np. fluoresceiny), aby określić kierunek prądu. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędu pomiarowego DPIV, nurek nie powinien znajdować się powyżej celu względem nurtu. Ponadto arkusz lasera powinien być ustawiony równolegle do kierunku prądu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek w arkuszu lasera, minimalizując tym samym błędy DPIV. Jeśli jednak prąd lub główny przepływ nie występują, pozycjonowanie nurka i SCUVA względem celu jest dowolne.
15. Ustawić SCUVA tak, aby oświetlać i rejestrować ruch płynu otaczającego cel. W przypadku próby rejestracji przepływu wokół poruszającego się celu, należy najpierw przewidzieć jego położenie, a następnie ustawić SCUVA w przewidzianym miejscu, pozostając w bezruchu. W momencie gdy cel znajdzie się w polu widzenia kamery, należy rozpocząć nagrywanie. Jeśli cel jest nieruchomy, należy skadrować go wraz z otaczającym płynem w polu widzenia kamery wideo i rozpocząć nagrywanie, pozostając w bezruchu. Operator powinien wystrzegać się ruchów obrotowych i poza-płaszczyznowych podczas nagrywania wideo, ponieważ ruchy te prowadzą do błędnych wyników DPIV. W związku z tym pomiary zebrane podczas obrotowych i poza-płaszczyznowych ruchów nurka nie będą wykorzystywane do dalszej analizy danych.
16. Po zakończeniu gromadzenia materiału wideo należy wyłączyć wszystkie komponenty SCUVA i przywrócić ramię lasera do pozycji schowanej. Należy wyjąć SCUVA z wody i odłączyć obudowy kamery i lasera od ramienia. Przed osuszeniem aparat należy opłukać lub namoczyć w świeżej wodzie, aby zapobiec rdzewieniu. Po wysuszeniu obudów należy wyjąć z nich komponenty oraz naładować i wymienić akumulatory, jeśli jest to konieczne przed kolejnym nurkowaniem.
17. Podłączyć kamerę wideo do komputera i wyekstrahować wideo z taśmy HD za pomocą pakietu oprogramowania do wideo HD (np. Adobe Premiere Pro lub iMovie). Po wyekstrahowaniu wideo należy określić zakres materiału, który zostanie przekształcony w serię obrazów do analizy DPIV. Należy upewnić się, że proporcje pikseli i rozmiary wyekstrahowanych obrazów są zgodne z ustawieniami wideo HD.
18. Obrazy te są importowane do programu do przetwarzania DPIV (np. DaVis lub MatPIV). Po prawidłowym wyborze stałej kalibracji i parametrów przechwytywania obrazu, które są wymagane przez pakiet oprogramowania DPIV, można wygenerować pola prędkości z kolejnych obrazów cząstek. W zależności od jakości i rodzaju pomiarów można również zastosować dodatkowe kroki postprocessingu.³

Reprezentatywne wyniki:

Po prawidłowym wykonaniu protokołu obrazy cząstek otaczających cel będą ostre i łatwe do rozróżnienia. Wykorzystując pola cząstek zarejestrowane in situ przez kamerę wideo SCUVA (Rycina 1A) oraz pakiet oprogramowania do przetwarzania DPIV, zostaną ujawnione pola prędkości przepływu wokół celu (Rycina 1B). Wektory w polu prędkości wskazują wielkość i kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zgromadzono wystarczającą ilość materiału wideo, aby zapewnić serię obrazów w czasie, można również wyznaczyć szereg czasowy pól prędkości.

Rysunek 1  Zmierzone in situ pola cząsteczek (A) otaczające Aurelia labiata. Odpowiadające im pole prędkości (B) z żółtymi wektorami wskazującymi kierunek i wartość przepływu.

Rysunek 2 Pola cząsteczek in situ otaczające Mastigias sp. oraz Solmissus sp. (odpowiednio A i B). Czerwona strzałka w A wskazuje obszar o wysokiej odblaskowości, co prowadzi do nasycenia obrazu, utrudniając odróżnienie cząsteczek od celu. Czerwona strzałka w B wskazuje obszar smużenia, który powstaje, gdy szybkość przepływu nie jest próbkowana z wystarczająco wysoką częstotliwością.

Dyskusja

Potencjalnym ograniczeniem w tej dziedzinie jest konieczność obecności cząsteczek w przepływie, które są niezbędne do zastosowania cyfrowej welocymetrii obrazowej cząstek (DPIV). W wodach przybrzeżnych zawiesina materiału cząsteczkowego wykazuje rozmiary rzędu 10 μm średnicy oraz stężenia od 0,002 do 10 na mm³.⁴ Dodatkowe badania z wykorzystaniem zanurzalnej holokamery do detekcji cząstek potwierdzają wystarczającą obecność cząstek znacznika do przeprowadzenia DPIV w wodzie oceanicznej.⁵ Podczas nurkowań na otwartym morzu i w wodach przybrzeżnych oceanu stwierdzono, że gęstość i rozmiary cząstek nie stanowią ograniczenia dla prowadzenia pomiarów DPIV in situ.

Poza gęstością i rozmiarem cząstek, kolejną kwestią istotną dla pomiarów DPIV jest homogeniczność stężeń cząstek.

Jakościowo, jeśli obszar wewnątrz okna przesłuchującego wykazuje większe stężenia cząstek niż inny obszar, wartość prędkości wygenerowana przez analizę DPIV będzie przesunięta w stronę obszaru o wyższych stężeniach cząstek. W związku z tym pomiary SCUVA muszą być przeprowadzane w warunkach, w których zmienność stężenia cząstek jest zminimalizowana. Stwierdzono, że stężenia cząstek są stosunkowo stałe podczas nurkowań, w których nurek znajduje się w zawieszeniu w środkowej części kolumny wody. Jednak pola cząstek w środowiskach bentosowych mogą być niejednorodne ze względu na resuspensję cząstek wywołaną przez przepływy środowiskowe lub indukowane przez nurka w pobliżu dna morskiego. Należy zachować szczególną ostrożność, aby zminimalizować zaburzenia rozkładu cząstek podczas pomiarów w środowiskach bentosowych. Zgodnie z wiedzą autorów, formalna analiza błędów generowanych przez niejednorodne pola stężeń cząstek nie została przeprowadzona ani w warunkach laboratoryjnych, ani terenowych i powinna stanowić przedmiot dalszych rozważań w oddzielnej publikacji.

Podczas przygotowywania i przeprowadzania eksperymentów in situ zgodnie z niniejszym protokołem należy wziąć pod uwagę kilka różnych kwestii. Podczas rejestracji operator jest zobowiązany do pozostania w bezruchu i powstrzymania się od wszelkich ruchów poza płaszczyzną oraz ruchów obrotowych. W teorii prośba ta jest prosta, lecz w praktyce trudna, a wykonanie tych pomiarów z sukcesem wymaga zaawansowanych umiejętności nurkowania. Ruchy operatora poza płaszczyzną oraz ruchy obrotowe prowadzą do błędnych danych DPIV. Natomiast ruchy w płaszczyźnie mogą zostać skorygowane przy użyciu oprogramowania opracowanego w jednostce badawczej.⁶ Zaleca się, aby operator ćwiczył kontrolę pływalności podczas kilku nurkowań przed wykorzystaniem SCUVA w celu maksymalizacji efektywności pomiarów.

Poza kwestiami wyporności, operator powinien zwrócić uwagę na kierunek przepływu celu. Przepływy poruszające się poza płaszczyzną arkusza laserowego nie zapewnią wiarygodnych wyników DPIV, dlatego operator powinien zorientować SCUVA tak, aby najskuteczniej rejestrować te przepływy. Ponadto pozycja nurka względem celu musi zostać dobrana w taki sposób, aby zminimalizować przepływ indukowany przez nurka w pomiarach. Przepływ indukowany przez nurka wprowadza błąd do przepływu celu, a pomiary uwzględniające wpływ nurka nie powinny być wykorzystywane do dalszej analizy.

W przypadku, gdy obiekt posiada powierzchnię o wysokim współczynniku odbicia, obszar cieczy otaczający obiekt będzie silnie oświetlony, co utrudni odróżnienie poszczególnych cząstek znajdujących się w pobliżu od otaczającej cieczy (obszar wskazany czerwoną strzałką, Rysunek 2A). Do obudów lasera lub kamery można dodać filtry lub polaryzatory, aby zmniejszyć intensywność światła laserowego rejestrowanego przez sensor kamery wideo. Jeśli nie jest to możliwe ze względu na ograniczenia logistyczne i ograniczony dostęp do sprzętu, postprocessing obrazów przy użyciu oprogramowania opracowanego wewnętrznie może zapewnić wystarczającą korekcję poprzez odjęcie z obrazów podwyższonej intensywności pikseli w pobliżu obiektu. Innym czynnikiem wpływającym na jakość danych DPIV jest występowanie smug cząstek. Jeśli w polach cząstek występują obszary smugowania (wskazane czerwoną strzałką, Rysunek 2B), oznacza to, że kamera wideo rejestruje obraz przy zbyt niskiej częstotliwości klatek, aby rozdzielić te wysokie prędkości. Poprzez zwiększenie częstotliwości klatek można zredukować smugowanie cząstek. Powoduje to jednak zmniejszenie ilości światła docierającego do sensora kamery wideo i sprawia, że pole cząstek wydaje się ciemniejsze. Jeśli kamera wideo umożliwia ręczne ustawienie przysłony, należy zwiększyć otwór przysłony, aby zapobiec przyciemnieniu pola cząstek. Wyznaczenie optymalnych ustawień urządzenia może wymagać wielokrotnych zanurzeń z wykorzystaniem SCUVA przed pomyślnym zebraniem danych.