Summary
Ce protocole fournit des instructions sur la façon d'utiliser un appareil autonome vélocimétrie sous-marine (SCUVA), qui est conçu pour la quantification in situ des animaux a généré des flux. En outre, ce protocole aborde les défis posés par les conditions du terrain, et comprend le mouvement opérateur, la position prédire des animaux, et l'orientation de SCUVA.
Abstract
La capacité de mesurer directement les champs de vitesse dans un environnement fluide est nécessaire de fournir des données empiriques pour des études dans des domaines aussi variés que l'océanographie, l'écologie, la biologie et la mécanique des fluides. Mesures sur le terrain d'introduire les défis pratiques tels que les conditions environnementales, la disponibilité des animaux, et le besoin de techniques de mesure de champ compatible. Pour éviter ces difficultés, les scientifiques utilisent généralement des environnements de laboratoire contrôlé à l'étude des animaux-fluide interactions. Cependant, il est raisonnable de se demander si on peut extrapoler le comportement naturel (c'est à dire, ce qui se passe sur le terrain) à partir de mesures de laboratoire. Par conséquent, in situ, mesures de flux quantitatifs sont nécessaires pour décrire avec précision la natation animaux dans leur environnement naturel.
Nous avons conçu une auto-contenue, appareil portatif qui fonctionne indépendamment de tout lien vers la surface, et peut fournir des mesures quantitatives de l'surrou champ d'écoulementnding un animal. Cet appareil, un appareil autonome vélocimétrie sous-marine (SCUVA), peut être actionné par un plongeur dans les profondeurs seule jusqu'à 40 m. En raison de la complexité ajoutée inhérente à des conditions de terrain, d'autres considérations et de préparation sont nécessaires par rapport aux mesures effectuées en laboratoire. Ces considérations incluent, mais ne sont pas limités à, le mouvement opérateur, prédire la position des cibles de natation, disponible à particules naturelles en suspension, et l'orientation de SCUVA rapport à l'écoulement d'intérêt. Le protocole suivant est destiné à répondre à ces défis sur le terrain commun et pour maximiser le succès de mesure.
Protocol
- Pour commencer cette procédure, nous nous assurons que tous les composants ont SCUVA batterie suffisamment chargée, bande d'enregistrement (pour la haute définition ou une caméra vidéo HD), et fonctionnent correctement. Selon le flux d'être mesuré, sélectionnez résolution de la caméra vidéo et des taux de trame qui donnent les meilleurs résultats pour la vélocimétrie des particules d'image numérique (DPIV) 1,2.
- Préparer les boîtiers laser et caméra pour une utilisation par le nettoyage des rainures o-ring et les joints toriques avec une serviette propre ou essuyer. Fais constructeur fourni le joint torique de graisse uniformément sur les joints toriques et les remplacer dans les rainures de logement. En outre, nettoyer les ouvertures des logements au laser et la caméra pour éviter toute déformation tôle au laser et des marques sur le boîtier de la caméra optique.
- Vérifier les joints o-ring en plaçant les deux boîtiers vides dans une baignoire pleine d'eau. Objets pondéré devra être placé sur le dessus du boîtier de submerger eux depuis les boîtiers flottent lorsqu'ils sont vides. Après 5 à 10 minutes, retirer les carters de la baignoire et sèche serviette tIl l'extérieur. Vérifier s'il ya de l'humidité à l'intérieur du boîtier. Pensez aussi à utiliser jetables, des bandes d'humidité du papier lors de l'essai de pression pour indiquer s'il ya de l'humidité dans les logements après le test.
- Après les boîtiers passer le test de pression, placer les composants SCUVA l'intérieur des logements.
- Fixez à haute intensité de décharge gousses lumière (HID) au boîtier de la caméra. Assurez-vous que les lumières sont orientées de telle façon qu'elles illuminent la zone directement devant la caméra et l'opérateur, et ne pas interférer avec le maintien d'emprise sur les poignées et le fonctionnement des commandes de l'appareil.
- Dans un environnement de faible luminosité, s'assurer que le faisceau laser est correctement aligné par rapport à la lentille optique installé dans le boîtier laser. Lorsqu'il est correctement aligné, la combinaison laser / lentille de créer une feuille de lumière verticaux qui sont orientés perpendiculairement à la boîtier de la caméra. Par mesure de sécurité, utilisez une feuille sensibles à la température de papier afin de déterminer l'orientation nappe laser. En utilisant des pièces jointes SCUVA et le rigide, bras extensible, connectez le boîtier du laser et le boîtier de la caméra à l'autre. S'assurer que les boîtiers sont bien attachés et que les logements ne peut pas tourner par rapport à l'autre. Il est essentiel que la nappe laser reste orienté perpendiculairement au champ de la caméra de vue tout au long de la mesure.
- Grâce aux capacités actuelles de SCUVA, plongées de mesure ne peut être réalisée en basse lumière endroits ou la nuit pour éviter les interférences de lumière naturelle avec la nappe laser. Par conséquent, nous recommandons d'attendre jusqu'au crépuscule ou plus tard avant d'entrer dans l'eau.
- Allumez le boîtier de la caméra avant d'entrer dans l'eau. Le boîtier de la caméra possède un capteur d'humidité intégré électronique qui fournit des avertissements visuels (feux clignotants à DEL) en cas d'humidité dans le boîtier de la caméra. Le capteur ne fonctionne que lorsque le boîtier de la caméra est allumée.
- Plongez dans l'eau SCUVA et attacher l'appareil pour vous en utilisantune ligne. Une fois attachée à l'appareil, relâchez SCUVA pour déterminer les caractéristiques de flottabilité de l'appareil. Selon les caractéristiques de flottabilité, attacher ou de mousse de flottabilité plombs à un ou deux boîtiers afin d'assurer une flottabilité neutre et empêcher la rotation de l'appareil dans l'eau.
- Ensuite, passer sur le laser et maintenez l'appareil immobile. Positionner le laser à l'aide du bras extensible suffisamment loin du plongeur afin de minimiser la mesure de plongeur induit des flux. Toute mesure de diver-induite coule près de la cible d'introduire des erreurs et ne sont pas utilisés pour une analyse ultérieure. Ajustez le zoom de la caméra jusqu'à ce que le champ de vue de la cible des cadres et du fluide environnant.
- Tout en gardant l'appareil à l'arrêt, l'accent de la caméra vidéo sur la feuille de laser jusqu'à ce que les particules apparaissent nettes et au point. Une fois le plan de la tôle au laser est au point, mettez l'appareil en mode de mise au point manuelle. Cela permettra d'éviter l'appareil photo de recentrage sur les objets qui apparaissent dans le domaine de laVue lors de la mesure, résultant en des particules floue dans la nappe laser.
- Pour étalonner SCUVA, placer un objet de dimensions connues dans la nappe laser dans le champ de la caméra vidéo de vue. Record pour quelques secondes. Après la plongée, une image sera extrait de cette séquence vidéo afin de déterminer une constante d'étalonnage qui convertit le champ de vue à partir d'unités de pixels au centimètre. Si à tout moment l'opérateur ajuste le champ de vue être re-positionner le bras extensible ou de changer le zoom appareil pendant la plongée, les étapes 12 et 13 devront être répétées.
- Commencez la plongée en descendant à la profondeur de travail. À la recherche d'une cible, les propriétés d'écoulement de l'environnement en vrac doivent être déterminés. S'il est présent, la direction actuelle va dicter le positionnement des appareils et plongeur par rapport à la cible pendant les mesures. Le sens d'écoulement en vrac autour de la cible peut être déduite par l'observation de bulles s'exhalait de le plongeur et en notant leur mouvement latéral. Dansplus de bulles, une petite quantité de colorant fluorescent (par exemple, la fluorescéine) peuvent être libérés pour déterminer la direction du courant. Depuis diver-a généré des flux peut être une source d'erreur de mesure DPIV, le plongeur ne doit pas être situé en amont de la cible. En outre, la nappe laser doit être positionné parallèlement à la direction du courant de manière à maximiser le temps de résidence des particules au sein de la nappe laser, minimisant ainsi les erreurs DPIV. Toutefois, si aucun flux de courant ou en vrac est présent, le plongeur et le positionnement SCUVA rapport à la cible sont libres.
- Position SCUVA pour éclairer et d'enregistrer le mouvement du fluide entourant une cible. Si vous essayez d'enregistrer les flux autour d'une cible en mouvement d'abord prédire la localisation de la cible, puis la position SCUVA à l'emplacement prévu, tout en restant immobile. Comme la cible se déplace à travers champ de la caméra de vue, commencer l'enregistrement. Si la cible est immobile, le cadre de la cible et fluide environnant dans la caméra vidéo et# X2019; champ de vision et de commencer l'enregistrement tout en restant immobile. L'opérateur doit s'abstenir de mouvements de rotation et hors-plan pendant l'enregistrement vidéo, puisque ces mouvements entraîner des résultats erronés DPIV. Par conséquent, les mesures recueillies au cours de rotation et out-of-plane mouvements plongeurs ne seront pas utilisés pour l'analyse des données supplémentaires.
- Une fois la collection vidéo est terminée, éteignez toutes les composantes de SCUVA et restaurer le bras laser pour sa position rétractée. Retirer SCUVA de l'eau et détacher la caméra et boîtiers laser du bras. Rincer ou faire tremper l'appareil dans l'eau douce avant de les sécher pour éviter la rouille de l'appareil. Une fois les boîtiers sont séchées, supprimer des composants à partir des boîtiers, et de recharger les batteries et les remplacer si nécessaire pour une autre plongée.
- Connectez la caméra vidéo à un ordinateur et extrait vidéo de la bande HD en utilisant un package logiciel vidéo HD (par exemple, Adobe Premiere Pro ou iMovie). Après la vidéo est extraite, déterminer l'éventail desla vidéo à convertir en une série d'images pour l'analyse DPIV. S'assurer que les rapports d'aspect des pixels et les tailles d'image extraite correspondent aux paramètres de la vidéo HD.
- Ces images sont importées à un programme de traitement DPIV (ie, Davis ou MatPIV). Après la sélection appropriée des constantes d'étalonnage et les paramètres de capture d'image, qui sont invités à partir du logiciel DPIV, des champs de vitesse peuvent être générés à partir d'images de particules consécutives. D'autres étapes de post-traitement, en fonction de la qualité et le type de mesures, peut également être appliquée 3.
Les résultats représentatifs:
Lorsque le protocole est fait correctement, les images de particules autour de la cible sera nette et facile à distinguer. En utilisant les champs de particules capturées in situ par caméra vidéo SCUVA (figure 1A) et un paquet DPIV logiciel de traitement, les champs de vitesse de l'écoulement autour de la cible (figure 1B) sera révélée. Vecteurs dans le Velocichamp de Ty indiquent l'ampleur et la direction de la vitesse d'écoulement locale. Si la vidéo est suffisamment collectées pour fournir une série chronologique d'images, une série chronologique des champs de vitesse peut également être déterminée.
Figure 1 Mesurée dans les champs de particules in situ (A) entourant Aurelia labiata. Champ de vitesse correspondant (B) avec des vecteurs jaune indiquant la direction d'écoulement et de grandeur.
Figure 2 Dans les champs de particules in situ entourant Mastigias sp. Solmissus sp. (A et B, respectivement). La flèche rouge dans A indique une région de haute réflectivité, ce qui entraîne une saturation de l'image, ce qui rend difficile de distinguer entre les particules et la cible. La flèche rouge dans B indique une région de stries qui se produit lorsque le débit estpas été échantillonnées à une fréquence assez élevée.
Discussion
Un obstacle potentiel dans le domaine est la nécessité pour les particules dans l'écoulement, qui sont nécessaires pour mettre en œuvre numérique de vélocimétrie par image de particules (DPIV). Dans les eaux côtières, les particules en suspension expositions tailles de l'ordre de 10 microns de diamètre et de concentrations entre 0,002 et 10 par mm 3. 4 études supplémentaires utilisant une holocamera submersibles pour la détection de particules de confirmer la présence suffisante de particules d'ensemencement pour effectuer DPIV dans l'eau des océans. 5 Pendant mer et la plongée océan côtier, nous avons constaté que la densité des particules et les tailles ne sont pas une contrainte pour la réalisation in situ DPIV.
Mis à part la densité des particules et les tailles, une autre préoccupation concernant les mesures DPIV est l'homogénéité des concentrations de particules.
Qualitativement, si une région dans une fenêtre d'interrogation a des concentrations de particules supérieures à l'autre, l'ampleur de vitesse générés par le DL'analyse PIV sera biaisée vers la région avec des concentrations de particules supérieures. Par conséquent, les mesures doivent être effectuées SCUVA où la variabilité de la concentration des particules est réduite au minimum. Nous avons trouvé des concentrations thatcle sont relativement constants au cours des concentrations de particules sont relativement constante au cours de plongées où le plongeur est en suspension dans le milieu de la colonne d'eau. Toutefois, les champs de particules dans les environnements benthiques ont le potentiel d'inhomogénéité due à la remise en suspension des particules par les flux environnementaux ou plongeur-induite à proximité du plancher océanique. Des précautions doivent être prises pour minimiser les perturbations des particules lors des mesures dans des environnements benthiques. Pour la connaissance des auteurs, une analyse formelle des erreurs générées par les champs inhomogènes concentration en particules n'a pas été effectuée dans des conditions de laboratoire ou de terrain non plus, et devrait être un sujet pour un nouvel examen dans une publication distincte.
Plusieurs questions diverses doivent être considérés lors de la préparation et lamener des expérimentations in situ en utilisant le protocole. Pendant l'enregistrement, l'opérateur est chargé de rester immobile et de s'abstenir de tout hors de l'avion et le mouvement de rotation. Cette demande est simple en théorie, mais difficile en pratique, et que ces mesures nécessitent des compétences avancées de plongée pour se terminer correctement. Hors de l'avion et les mouvements de rotation de l'opérateur en raison de données erronées DPIV. Toutefois, dans le plan motions peuvent être corrigées en utilisant un logiciel maison. 6 Il est recommandé à l'opérateur de pratiquer le contrôle de flottabilité pour plusieurs plongées avant d'utiliser SCUVA pour maximiser l'efficacité des mesures.
Outre les considérations de la flottabilité, l'opérateur doit être conscient de la direction du flux cible. Flux qui voyagent hors-plan par rapport à la nappe laser ne donnera pas des résultats fiables DPIV, et l'opérateur doit orienter SCUVA pour capter ces flux plus efficace. En outre, la position du plongeur par rapport à la cible doit être SelecteD afin de minimiser les plongeurs induit des flux dans les mesures. Diver-induite introduit une erreur de débit au débit cible, et des mesures qui incluent des effets plongeur doit pas être utilisé pour une analyse ultérieure.
Dans le cas où la cible a une surface hautement réfléchissante, la région fluide entourant la cible sera fortement éclairée, ce qui rend difficile de distinguer les particules individuelles à proximité du fluide environnant (région indiquée par la flèche rouge, figure 2A). Filtres ou polariseurs peuvent être ajoutés aux boîtiers laser ou caméra de réduire l'intensité de la lumière laser captée par le capteur de la caméra vidéo. Si cela n'est pas possible en raison de contraintes logistiques et un accès limité à l'équipement, de post-traitement des images en utilisant un logiciel interne peut fournir suffisamment de correction en soustrayant les images, les intensités des pixels élevés près de la cible. Une autre considération qui affecte la qualité des données est de savoir si DPIV traînées de particules sont présents. Si les particuleschamps ont des régions de stries (indiqué par la flèche rouge, Figure 2B), la caméra vidéo est un enregistrement à une cadence trop faible pour résoudre ces vitesses élevées. En augmentant le taux d'armature, des stries de particules peut être réduite. Toutefois, cela se traduit par une réduction de lumière atteignant le capteur de la caméra vidéo et rend le gradateur chercher des particules sur le terrain. Si la caméra vidéo a la capacité de définir manuellement les paramètres d'ouverture, augmenter le réglage de l'ouverture pour empêcher gradation du champ de particules. Déterminer les paramètres du périphérique optimale peut nécessiter plusieurs plongées avec SCUVA, avant la collecte de données réussie.
Disclosures
Pas de conflits d'intérêt déclarés.
Acknowledgments
Cette recherche est soutenue par la National Science Foundation attribué à JOD (OCE-0623475), la CPS (OCE-0623534 et 0727544), et JHC (OCE-0727587 et 0623508 OCE-), et par l'Office of Naval Research décerné à JHC ( N000140810654). KK est soutenu par le programme de bourses postdoctorales au Woods Hole Oceanographic Institution, avec un financement assuré par la Fondation du Devonshire.
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