Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu niezależnego podwodnego aparatu do pomiaru prędkości (SCUVA)

Summary

Ten protokół zawiera instrukcje, jak korzystać z niezależnego podwodnego aparatu do pomiaru prędkości (SCUVA), który jest przeznaczony do ilościowego oznaczania przepływów generowanych przez zwierzęta in situ. Ponadto protokół ten odnosi się do wyzwań związanych z warunkami polowymi i obejmuje ruchy operatora, przewidywanie pozycji zwierząt i orientację SCUVA.

Abstract

Możliwość bezpośredniego pomiaru pól prędkości w płynnym środowisku jest niezbędna do dostarczania danych empirycznych do badań w dziedzinach tak różnorodnych, jak oceanografia, ekologia, biologia i mechanika płynów. Pomiary terenowe wiążą się z praktycznymi wyzwaniami, takimi jak warunki środowiskowe, dostępność zwierząt i potrzeba stosowania technik pomiarowych kompatybilnych z terenem. Aby uniknąć tych wyzwań, naukowcy zazwyczaj wykorzystują kontrolowane środowiska laboratoryjne do badania interakcji między zwierzętami a płynami. Uzasadnione jest jednak pytanie, czy można ekstrapolować naturalne zachowanie (tj. to, które występuje w terenie) na podstawie pomiarów laboratoryjnych. W związku z tym potrzebne są ilościowe pomiary przepływu in situ, aby dokładnie opisać pływanie zwierząt w ich naturalnym środowisku.

Zaprojektowaliśmy samodzielne, przenośne urządzenie, które działa niezależnie od jakiegokolwiek połączenia z powierzchnią i może dostarczyć ilościowych pomiarów pola przepływu otaczającego zwierzę. Aparat ten, niezależny podwodny aparat do pomiaru prędkości (SCUVA), może być obsługiwany przez jednego płetwonurka na głębokości do 40 m. Ze względu na dodatkową złożoność związaną z warunkami terenowymi, w porównaniu z pomiarami laboratoryjnymi wymagane są dodatkowe rozważania i przygotowanie. Rozważania te obejmują między innymi ruch operatora, przewidywanie położenia celów pływackich, dostępne naturalne cząstki zawieszone oraz orientację SCUVA w stosunku do przepływu będącego przedmiotem zainteresowania. Poniższy protokół ma na celu sprostanie tym typowym wyzwaniom terenowym i maksymalizację sukcesu pomiarów.

Protocol

1. Aby rozpocząć tę procedurę, upewniamy się, że wszystkie komponenty SCUVA mają wystarczającą moc baterii, taśmę do nagrywania (w przypadku kamery wideo o wysokiej rozdzielczości lub HD) i działają prawidłowo. W zależności od przepływów, które mają być mierzone, wybierz rozdzielczość kamery wideo i liczbę klatek na sekundę, które dają najlepsze wyniki dla cyfrowej prędkości obrazu cząstek (DPIV). ^1,2
2. Przygotuj obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki o-ringów i o-ringi czystym ręcznikiem lub ściereczką. Producent przewidział smar do o-ringów równomiernie na o-ringach i wymienić je w rowkach oprawy. Ponadto wyczyść otwór lasera i obudowy aparatu, aby zapobiec deformacji arkusza laserowego i śladom na obiektywie obudowy aparatu.
3. Sprawdź uszczelki typu o-ring, umieszczając obie puste obudowy w wannie pełnej wody. Obciążone przedmioty będą musiały zostać umieszczone na obudowach, aby je zanurzyć, ponieważ obudowy unoszą się na wodzie, gdy są puste. Po 5 do 10 minutach wyjmij obudowy z wanny i osusz ręcznikiem na zewnątrz. Sprawdź, czy wewnątrz obudów nie ma wilgoci. Rozważ również użycie jednorazowych, papierowych pasków nawilżających podczas próby ciśnieniowej, aby wskazać, czy po teście w obudowach jest wilgoć.
4. Po pomyślnym przejściu próby ciśnieniowej należy umieścić elementy SCUVA wewnątrz obudów.
5. Przymocuj panele świetlne o wysokiej intensywności wyładowczej (HID) do obudowy kamery. Upewnij się, że światła są ustawione w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem oraz nie przeszkadzały w utrzymaniu uchwytów i obsłudze elementów sterujących kamery.
6. W warunkach słabego oświetlenia upewnij się, że wiązka laserowa jest prawidłowo ustawiona względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera. Po prawidłowym ustawieniu kombinacja lasera i soczewki utworzy pionowy arkusz światła, który jest zorientowany prostopadle do obudowy kamery. Ze względów bezpieczeństwa użyj arkusza papieru wrażliwego na temperaturę, aby określić orientację arkusza lasera.
7. Za pomocą nasadek SCUVA i sztywnego, wysuwanego ramienia połącz ze sobą obudowę lasera i obudowę kamery. Upewnij się, że oprawy są mocno zamocowane i że oprawy nie mogą się obracać względem siebie. Bardzo ważne jest, aby arkusz laserowy pozostawał ustawiony prostopadle do pola widzenia kamery przez cały czas trwania pomiaru.
8. Ze względu na obecne możliwości SCUVA, nurkowania pomiarowe mogą być przeprowadzane tylko w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec naturalnej interferencji światła z arkuszem laserowym. Dlatego zalecamy poczekać do zmierzchu lub później przed wejściem do wody.
9. Włącz obudowę kamery przed wejściem do wody. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgotności, który zapewnia ostrzeżenia wizualne (diody LED) w przypadku zawilgocenia obudowy kamery. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest założona.
10. Zanurz SCUVA w wodzie i przymocuj urządzenie do siebie za pomocą linki. Po podłączeniu do aparatury zwolnij SCUVA, aby określić charakterystykę wyporu urządzenia. W zależności od charakterystyki wyporności, do jednej lub obu obudów należy przymocować piankę wypornościową lub obciążniki ołowiane, aby zapewnić neutralną pływalność i zapobiec obracaniu się urządzenia w wodzie.
11. Następnie włącz laser i trzymaj aparat nieruchomo. Ustaw laser za pomocą wysuwanego ramienia wystarczająco daleko od nurka, aby zminimalizować pomiar przepływów wywołanych przez nurka. Wszelkie pomiary przepływów wywołanych przez nurka w pobliżu celu wprowadzają błąd i nie są wykorzystywane do późniejszej analizy. Dostosuj powiększenie kamery, aż pole widzenia obejmie cel i otaczający go płyn.
12. Trzymając urządzenie nieruchomo, ustaw ostrość kamerę wideo na arkuszu laserowym, aż cząsteczki staną się ostre i ostre. Gdy płaszczyzna arkusza laserowego jest ostra, przełącz aparat w tryb ręcznego ustawiania ostrości. Zapobiegnie to ponownemu ustawieniu ostrości kamery na jakichkolwiek obiektach, które pojawiają się w polu view podczas pomiaru, co skutkuje rozmytymi cząstkami w arkuszu laserowym.
13. Aby skalibrować SCUVA, umieść obiekt o znanych wymiarach w arkuszu laserowym w polu widzenia kamery wideo. Nagrywaj przez kilka sekund. Po nurkowaniu obraz zostanie wyodrębniony z tej sekwencji wideo w celu określenia stałej kalibracji, która przelicza rozmiar pola widzenia z jednostek pikseli na cm. Jeśli w dowolnym momencie operator dostosuje rozmiar pola widzenia lub zmieni położenie wysuwanego ramienia lub zmieni zoom kamery podczas nurkowania, kroki 12 i 13 będą musiały zostać powtórzone.
14. Rozpocznij nurkowanie od zejścia na głębokość roboczą. Po znalezieniu celu należy określić środowiskowe właściwości przepływu masowego. Jeśli jest obecny, bieżący kierunek będzie dyktował pozycję aparatury i nurka względem celu podczas pomiarów. Kierunek przepływu masy wokół celu można wywnioskować, obserwując pęcherzyki wydychane przez nurka i odnotowując ich ruch boczny. Oprócz pęcherzyków można uwolnić niewielką ilość barwnika fluorescencyjnego (tj. fluoresceiny) w celu określenia aktualnego kierunku. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędu pomiaru DPIV, nurek nie powinien znajdować się przed celem. Ponadto arkusz laserowy powinien być ustawiony równolegle do kierunku prądu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek w arkuszu laserowym, minimalizując w ten sposób błędy DPIV. Jeśli jednak nie występuje prąd lub przepływ masowy, pozycja nurka i SCUVA względem celu jest nieograniczona.
15. Ustaw SCUVA tak, aby oświetlić i zarejestrować płynny ruch otaczający cel. Jeśli próbujesz zarejestrować przepływ otaczający ruchomy cel, najpierw przewiduj położenie celu, a następnie ustaw SCUVA w przewidywanym miejscu, pozostając w bezruchu. Gdy cel porusza się w polu widzenia kamery, rozpocznij nagrywanie. Jeśli cel jest nieruchomy, wykadruj cel i otaczający go płyn w polu widzenia kamery wideo i rozpocznij nagrywanie, pozostając w bezruchu. Operator powinien powstrzymać się od ruchów obrotowych i poza płaszczyzną podczas nagrywania wideo, ponieważ ruchy te skutkują błędnymi wynikami DPIV. W związku z tym pomiary zebrane podczas ruchów nurka obrotowego i poza płaszczyzną nie będą wykorzystywane do dalszej analizy danych.
16. Po zakończeniu zbierania filmów wyłącz wszystkie elementy SCUVA i przywróć ramię lasera do pozycji wsuniętej. Wyjmij SCUVA z wody i odłącz obudowę kamery i lasera od ramienia. Przed wysuszeniem wypłucz lub namocz urządzenie w świeżej wodzie, aby zapobiec rdzewieniu urządzenia. Po wyschnięciu obudów wyjmij elementy z obudów, a następnie naładuj i wymień baterie, jeśli to konieczne, aby przeprowadzić kolejne nurkowanie.
17. Podłącz kamerę wideo do komputera i wyodrębnij wideo z taśmy HD za pomocą pakietu oprogramowania do wideo HD (np. Adobe Premiere Pro lub iMovie). Po wyodrębnieniu wideo określ zakres wideo, który ma zostać przekonwertowany na serię obrazów do analizy DPIV. Upewnij się, że proporcje pikseli i rozmiary wyodrębnionego obrazu są zgodne z ustawieniami wideo HD.
18. Obrazy te są importowane do programu przetwarzającego DPIV (tj. DaVis lub MatPIV). Po odpowiednim doborze stałej kalibracyjnej i parametrów przechwytywania obrazu, które są podpowiadane z pakietu oprogramowania DPIV, można generować pola prędkości z kolejnych obrazów cząstek. Można również zastosować dodatkowe etapy obróbki końcowej, w zależności od jakości i rodzajów pomiarów. ³

Reprezentatywne wyniki:

Gdy protokół zostanie wykonany poprawnie, obrazy cząsteczek otaczających cel będą ostre i łatwe do odróżnienia. Wykorzystując pola cząstek uchwycone in situ przez kamerę wideo SCUVA (rysunek 1A) i pakiet oprogramowania do przetwarzania DPIV, ujawnione zostaną pola prędkości przepływu otaczającego cel (rysunek 1B). Wektory w polu prędkości wskazują wielkość i kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zbierze się wystarczającą ilość materiału wideo, aby uzyskać szereg czasowy obrazów, można również wyznaczyć szereg czasowy pól prędkości.

Rysunek 1  Mierzone in situ pola cząstek (A) otaczającego Aurelia labiata. Odpowiednie pole prędkości (B) z żółtymi wektorami wskazującymi kierunek przepływu i wielkość.

Rysunek 2 Pola cząstek in situ otaczające Mastigias sp. i Solmissus sp. (odpowiednio A i B). Czerwona strzałka w kształcie litery A oznacza obszar o wysokim współczynniku odbicia, co powoduje nasycenie obrazu, co utrudnia odróżnienie cząstek od celu. Czerwona strzałka w B wskazuje obszar smug, który powstaje, gdy natężenie przepływu nie jest próbkowane z wystarczająco wysoką częstotliwością.

Discussion

Potencjalnym ograniczeniem w tej dziedzinie jest zapotrzebowanie na cząstki w przepływie, które są niezbędne do wdrożenia cyfrowej prędkości obrazowania cząstek (DPIV). W wodach przybrzeżnych zawieszone cząstki stałe mają średnicę rzędu 10 μm i stężenia od 0,002 do 10 na^mm3. ⁴ Dodatkowe badania z użyciem zanurzalnej holokamery do wykrywania cząstek potwierdzają wystarczającą obecność cząstek zasiewających do przeprowadzenia DPIV w wodzie oceanicznej. ⁵ Podczas nurkowania na otwartym morzu i w oceanach przybrzeżnych stwierdziliśmy, że gęstości i rozmiary cząstek nie stanowią ograniczenia w prowadzeniu DPIV in situ .

Oprócz gęstości i wielkości cząstek, kolejną kwestią istotną dla pomiarów DPIV jest jednorodność stężeń cząstek.

Jakościowo, jeśli obszar w oknie przesłuchania ma większe stężenie cząstek niż inny, wielkość prędkości generowana przez analizę DPIV będzie odchylona w kierunku obszaru o wyższych stężeniach cząstek. Dlatego pomiary SCUVA muszą być przeprowadzane tam, gdzie zmienność stężenia cząstek jest zminimalizowana. Odkryliśmy, że stężenia cząstek są względnie stałe podczas nurkowań, podczas których nurek jest zawieszony w środku słupa wody. Jednak pola cząstek w środowiskach bentosowych mogą być niejednorodne ze względu na ponowne zawieszenie cząstek przez przepływy środowiskowe lub wywołane przez nurków w pobliżu dna morskiego. Należy zachować ostrożność, aby zminimalizować zakłócenia cząstek podczas pomiarów w środowisku bentosowym. Zgodnie z wiedzą autorów, formalna analiza błędów generowanych przez niejednorodne pola stężeń cząstek nie została przeprowadzona ani w warunkach laboratoryjnych, ani terenowych i powinna być przedmiotem dalszych rozważań w odrębnej publikacji.

Podczas przygotowywania i przeprowadzania eksperymentów in situ z wykorzystaniem protokołu należy wziąć pod uwagę kilka różnych kwestii. Podczas nagrywania operator jest instruowany, aby pozostać nieruchomym i powstrzymać się od wszelkich ruchów poza płaszczyzną i obrotowych. To zapytanie jest proste w teorii, ale trudne w praktyce, a pomiary te wymagają zaawansowanych umiejętności nurkowych, aby zostały pomyślnie wykonane. Ruchy poza płaszczyzną i ruchy obrotowe operatora skutkują błędnymi danymi DPIV. Jednak ruchy w płaszczyźnie można korygować za pomocą własnego oprogramowania. ⁶ Zaleca się, aby operator ćwiczył kontrolę pływalności przez kilka nurkowań przed użyciem SCUVA, aby zmaksymalizować wydajność pomiaru.

Oprócz kwestii wyporności, operator powinien być świadomy docelowego kierunku przepływu. Przepływy, które przemieszczają się poza płaszczyzną względem arkusza laserowego, nie zapewnią wiarygodnych wyników DPIV, a operator powinien ustawić SCUVA tak, aby jak najskuteczniej rejestrować te przepływy. Dodatkowo, pozycja nurka względem celu musi być tak dobrana, aby zminimalizować przepływ indukowany przez nurka w pomiarach. Przepływ wywołany przez nurka wprowadza błąd do przepływu docelowego, a pomiary, które obejmują efekty nurka, nie powinny być wykorzystywane do dalszej analizy.

W przypadku, gdy tarcza ma silnie odbijającą powierzchnię, obszar płynu otaczający cel będzie silnie oświetlony, co utrudni odróżnienie pobliskich pojedynczych cząstek od otaczającego płynu (obszar oznaczony czerwoną strzałką, rysunek 2A). Do obudowy lasera lub kamery można dodać filtry lub polaryzatory, aby zmniejszyć intensywność światła laserowego przechwytywanego przez czujnik kamery wideo. Jeśli nie jest to możliwe ze względu na ograniczenia logistyczne i ograniczony dostęp do sprzętu, przetwarzanie końcowe obrazów za pomocą własnego oprogramowania może zapewnić wystarczającą korekcję poprzez odjęcie od obrazów podwyższonych intensywności pikseli w pobliżu celu. Inną kwestią, która wpływa na jakość danych DPIV, jest to, czy występują smugi cząstek. Jeśli pola cząstek mają obszary smug (oznaczone czerwoną strzałką, rysunek 2B), kamera wideo nagrywa z częstotliwością klatek na sekundę zbyt niską, aby rozdzielić te duże prędkości. Zwiększając liczbę klatek na sekundę, można zmniejszyć smugi cząsteczkowe. Powoduje to jednak zmniejszenie ilości światła docierającego do matrycy kamery wideo i sprawia, że pole cząstek wydaje się ciemniejsze. Jeśli kamera wideo ma możliwość ręcznego ustawiania przysłony, zwiększ ustawienie przysłony, aby zapobiec przyciemnieniu pola cząstek. Określenie optymalnych ustawień urządzenia może wymagać wielu nurkowań za pomocą SCUVA przed pomyślnym zebraniem danych.