Summary
פרוטוקול זה מספק הוראות על אופן השימוש מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), אשר מיועד כימות של בעלי חיים שנוצר זורם באתרה. בנוסף, פרוטוקול זה כתובות האתגרים שמציב בתנאי שדה, וכולל תנועה המפעיל, עמדה בחיזוי של בעלי חיים, והכיוון של SCUVA.
Abstract
היכולת למדוד ישירות שדות מהירות בסביבת נוזלים הכרחי כדי לספק נתונים אמפיריים של מחקרים בתחומים מגוונים כמו אוקיאנוגרפיה, אקולוגיה, ביולוגיה, מכניקת זורמים. מדידות שדה להציג אתגרים מעשיים כגון תנאים סביבתיים, זמינות בעלי חיים, ואת הצורך בשטח תואמת שיטות מדידה. כדי להימנע אתגרים אלה, מדענים משתמשים בדרך כלל סביבות מעבדה מבוקרים ללמוד על בעלי חיים נוזל אינטראקציות. עם זאת, סביר השאלה אם ניתן להסיק התנהגות טבעית (כלומר, אשר מתרחשת בתחום) ממדידות מעבדה. לכן, באתרו מדידות זרימה כמותי יש צורך לתאר במדויק שחייה בעלי חיים בסביבתם הטבעית.
עיצבנו עצמאי, מכשיר נייד שפועל עצמאית של חיבור כלשהו אל פני השטח, והוא יכול לספק מדידות כמותיות של surrou בשדה זרימהnding חיה. מנגנון זה, מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), יכול להיות מופעל על ידי צוללן אחד במעמקים עד 40 מ ' בשל המורכבות הוסיף הטבועה בתנאי שדה, שיקולים נוספים והכנה נדרשים בהשוואה מדידות במעבדה. שיקולים אלה כוללים, אך אינם מוגבלים, תנועה המפעיל, לניבוי המיקום של מטרות שחייה, זמין חלקיקי מושעה טבעי, והכיוון של SCUVA לעומת תזרים של עניין. הפרוטוקול הבא נועד לטפל באתגרים אלה בשדה משותף על מנת למקסם את ההצלחה המדידה.
Protocol
- כדי להתחיל בהליך זה, אנו מבטיחים כי כל הרכיבים SCUVA יש סוללה מספיק, סרט ההקלטה (עבור-high-definition או מצלמת וידאו HD), וכן לתפקד כראוי. בהתאם זורם למדוד, לבחור מצלמת וידאו ברזולוציה מסגרת שיעורי תשואה כי התוצאות הטובות ביותר עבור velocimetry תמונה דיגיטלית החלקיקים (DPIV). 1,2
- הכן את המצלמה מעטה לייזר לשימוש על ידי ניקוי O-טבעת חריצים O-טבעות עם מגבת נקייה או לנגב. יצרן מורחים בתנאי O-טבעת שומן באופן שווה על O-טבעות ולהחליף אותם חריצים דיור. בנוסף, נקיים הלייזר ואת המצלמה פתחים הדיור כדי למנוע עיוות גיליון לייזר וסימני על העדשה דיור המצלמה.
- בדוק את O-טבעת חותמות על ידי הצבת שני מעטה ריק באמבט מלא מים. אובייקטים משוקלל צריך להיות מונח על גבי מעטה כדי להטביע אותם מאז מעטה לצוף כאשר ריק. לאחר 5 עד 10 דקות, להסיר את מעטה מהאמבטיה ואת לא מגבת יבשההוא בחוץ. בדוק אם יש לחות בתוך מעטה. כמו כן לשקול שימוש חד פעמי, לחות רצועות נייר במהלך הבדיקה לחץ כדי לציין אם יש לחות מעטה לאחר הבדיקה.
- לאחר מעטה במבחן הלחץ, במקום רכיבים SCUVA בתוך מעטה.
- צרף בעוצמה גבוהה (HID) פריקה אור תרמילי לדיור המצלמה. ודא כי האורות מכוונים באופן כזה שהם מאירים את האזור ישירות לפני המצלמה מפעיל, ולא להפריע שמירה על ידיות אחיזה ותפעול של בקרות המצלמה.
- בסביבה של תאורה נמוכה, להבטיח את קרן הלייזר מיושר כראוי ביחס העדשה אופטי מותקן דיור הלייזר. כאשר מיושר כראוי, שילוב לייזר / עדשות תיצור גיליון אנכי של אור מכוונת בניצב דיור המצלמה. בטיחות, שימוש גיליון טמפרטורה רגיש נייר כדי לקבוע אוריינטציה לייזר הגיליון. שימוש בקבצים מצורפים SCUVA ואת הזרוע נוקשה, להארכה, להתחבר הדיור לייזר הדיור מצלמה זו לזו. ודא מעטה מחוברים בחוזקה מעטה כי אינו יכול לסובב בכבוד זה לזה. זה קריטי, כי את הגיליון מונחה לייזר נשאר בניצב לשדה של המצלמה להציג במשך המדידה.
- בשל היכולות הנוכחיות של SCUVA, צלילות המדידה יכול להיות רק שנערך בתאורה נמוכה במקומות או בשעות הלילה כדי למנוע הפרעות של אור טבעי עם הסדין לייזר. לכן, אנו ממליצים להמתין עד השקיעה או במאוחר לפני הכניסה למים.
- הפעל דיור המצלמה לפני הכניסה למים. דיור מצלמה בעלת חיישן מובנה לחות אלקטרוניים המספקת אזהרות חזותית (להבהב נורות LED) במקרה של רטיבות דיור המצלמה. החיישן פועל רק כאשר המצלמה היא על דיור.
- SCUVA לטבול במים לצרף את מנגנון לעצמך באמצעותקו. מחוברים ברגע למנגנון, לשחרר SCUVA כדי לקבוע את מאפייני הציפה של המכשיר. בהתאם למאפיינים הציפה, הציפה לצרף קצף או להוביל משקולות אחד או שניהם מעטה כדי להבטיח ציפה ניטרלית ולמנוע סיבוב המנגנון בתוך המים.
- לאחר מכן, לעבור על הלייזר והחזק המנגנון נייח. מקם את הלייזר באמצעות זרוע להארכה מספיק רחוק הצוללן כדי למזער את המדידה של צוללן המושרה זורם. כל המדידות של צוללן המושרה זורם ליד המטרה להציג את השגיאה ולא משמשים לניתוח שלאחר מכן. כוונן את הזום במצלמה עד בתחום מסגרות להציג את היעד והנוזלים המקיפים.
- תוך שמירה על מנגנון נייח, למקד את מצלמת הווידיאו על הסדין לייזר עד חלקיקים מופיעים חדה בפוקוס. ברגע שהמטוס גיליון לייזר בפוקוס, לעבור את המצלמה למצב פוקוס ידני. זה ימנע את המצלמה refocusing על כל האובייקטים שמופיעים בתחוםלהציג בזמן המדידה, וכתוצאה מכך חלקיקים מטושטשים בגיליון לייזר.
- כדי לכייל SCUVA, במקום אובייקט עם ממדים ידוע בגיליון לייזר בתחום של המצלמה וידאו של התצוגה. שיא למשך כמה שניות. לאחר הצלילה, התמונה תהיה מופק רצף וידאו זה כדי לקבוע את קבוע הכיול אשר ממירה את השדה של גודל תצוגה מיחידות של פיקסלים ס"מ. אם בכל עת למפעיל מתאים את השדה של גודל להציג מחדש לתפקיד זרוע להארכה או לשנות את זום המצלמה במהלך הצלילה, שלבים 12 ו 13 יהיה צורך לחזור.
- בגין הצלילה ידי יורד לעומק העבודה. עם מציאת המטרה, תזרים את המאפיינים הסביבתיים בתפזורת צריך להיות נחוש. אם ההווה, את הכיוון הנוכחי יכתיב מנגנון מיצוב צוללן ביחס ליעד במהלך המדידות. כיוון הזרימה בתפזורת סביב יעד ניתן להסיק על ידי התבוננות בועות נשף של הצוללן, ותוך לקיחה תנועה לרוחב שלהם. בתוךבנוסף בועות, כמות קטנה של צבע פלואורסצנטי (כלומר, והעמסת) ניתן לשחרר על מנת לקבוע את הכיוון הנוכחי. מאז צוללן שנוצר זרם יכול להיות מקור של טעות מדידה DPIV, צוללן לא צריך להיות ממוקם במעלה הזרם של היעד. בנוסף, בגיליון לייזר יש למקם במקביל בכיוון הנוכחי כדי למקסם מגורים חלקיק זמן בתוך הגיליון לייזר, ובכך לצמצם טעויות DPIV. עם זאת, אם אין זרימת הנוכחי או בתפזורת קיים, צוללן ומיצוב SCUVA ביחס ליעד הם בלתי מוגבל.
- מיקום SCUVA להאיר ולהקליט את ההצעה נוזל סביב היעד. אם מנסים לתעד את הזרימה סביב מטרה נעה first לחזות את מיקום המטרה, ולאחר מכן SCUVA עמדה במיקום החזוי תוך שמירה על תנועה. כפי יעד נע דרך שדה של המצלמה של נוף, להתחיל את ההקלטה. אם היעד הוא ללא ניע, מסגרת היעד והנוזלים המקיפים את המצלמה וידאו &# X2019; בתחום של השקפה ולהתחיל הקלטה תוך שמירה על תנועה. המפעיל להימנע תנועות הסיבוב ו out-of-מטוס במהלך הקלטת וידאו מאז תוצאה תנועות אלו תוצאות שגויות DPIV. לכן, מדידות שנאספו במהלך הסיבוב ו out-of-מטוס צולל תנועות לא ישמש עבור ניתוח נתונים נוסף.
- לאחר איסוף וידאו תושלם, לכבות את כל המרכיבים של SCUVA ולשחזר את הזרוע לייזר למיקום שלה חזר בו. הסר SCUVA מן המים ולנתק את המצלמה מעטה לייזר מהזרוע. יש לשטוף או להשרות את המכשיר במים מתוקים לפני הייבוש כדי למנוע החלדה של המנגנון. לאחר מעטה הם מיובשים, להסיר רכיבים מן מעטה, וטען ולהחליף את הסוללות במידת הצורך לצלילה נוספת.
- חיבור מצלמת וידאו למחשב ולחלץ וידאו מתוך הקלטת HD באמצעות תוכנת וידאו HD חבילה (כלומר, Adobe Premiere Pro או iMovie). לאחר הווידאו מופק, לקבוע את טווחוידאו כדי להפוך סדרה של תמונות לניתוח DPIV. ודא פיקסל היבט ratios וגדלים התמונה חילוץ להתאים את הגדרות וידאו HD.
- תמונות אלה מיובאים בתוכנית עיבוד DPIV (כלומר, דייוויס או MatPIV). לאחר בחירה נכונה של קבוע כיול לכידת תמונה פרמטרים, אשר תונחה מחבילת תוכנה DPIV, שדות מהירות יכול להיות שנוצר מתמונות החלקיקים רצופים. נוסף שלאחר עיבוד שלבים, בהתאם לאיכות וסוגי מדידות, יכול להיות מיושם גם 3.
נציג תוצאות:
כאשר הפרוטוקול הוא נעשה בצורה נכונה, את התמונות החלקיקים המקיף את היעד יהיה חד קל להבחין. שימוש בשדות החלקיקים שנתפסו באתרו על ידי מצלמת הוידאו של SCUVA (איור 1A) ואת חבילת תוכנה DPIV עיבוד, שדות מהירות הזרימה סביב היעד (איור 1B) יתגלה. וקטורים של המהירותבתחום ty מצביעים גודל וכיוון מהירות הזרימה המקומית. אם הווידאו נאסף מספיק כדי לספק סדרה של תמונות זמן, סדרת זמן של שדות מהירות יכול גם להיות נחושה.
איור 1 נמדד בתחומים החלקיקים באתרו (A) סביב Aurelia labiata. מהירות השדה המתאים (ב) עם וקטורים צהוב המציין כיוון הזרימה ואת העוצמה.
איור 2 החלקיקים בשדות שמסביב באתרו Mastigias sp. Solmissus ו sp. (A ו-B, בהתאמה). החץ האדום מצביע על אזור של רפלקטיביות גבוהה, שתוצאתה הרוויה של התמונה, ולכן קשה להבחין בין חלקיקים היעד. החץ האדום מצביע על B אזור של פסים כי התוצאות כאשר קצב הזרימה הואלא נדגמו בתדירות גבוהה מספיק.
Discussion
אילוץ פוטנציאל בתחום הוא הצורך חלקיקים בזרימה, אשר נחוצים כדי ליישם החלקיקים תמונה דיגיטלית velocimetry (DPIV). במים החוף, חומר חלקיקי מושעה תערוכות גדלים בסדר גודל של 10 מיקרומטר בקוטר ריכוזים בין 0.002 ו - 10 מ"מ ל 3. 4 מחקרים נוספים באמצעות holocamera הצוללת לגילוי חלקיק לאשר נוכחות מספקת של זריעת חלקיקים לבצע DPIV במי האוקיינוס. 5 במהלך צלילה בים הפתוח חופי האוקיינוס, מצאנו כי צפיפות החלקיקים וגדלים אינם אילוץ לביצוע באתרו DPIV.
מלבד צפיפות החלקיקים וגדלים, עוד דאגה רלוונטי מדידות DPIV הוא ההומוגניות של ריכוזי החלקיקים.
איכותית, אם האזור בתוך חלון חקירה יש ריכוזי החלקיקים גדולה יותר אחר, את גודל מהירות שנוצר על ידי ד 'ניתוח PIV יהיה מוטה כלפי האזור עם ריכוזים גבוהים של חלקיקים. לכן, מדידות SCUVA חייב להתנהל בו השתנות ריכוז החלקיקים הוא ממוזער. מצאנו ריכוזים thatcle הם קבועים יחסית במהלך ריכוזי החלקיקים הם קבועים יחסית במהלך צלילות שבו הצולל תלויה באמצע בעמודת המים. עם זאת, שדות החלקיקים בסביבות benthic יש פוטנציאל inhomogeneity בשל resuspension של חלקיקים על ידי תנועות סביבתיות או צוללן-Induced ליד קרקעית הים. יש להקפיד למזער את ההפרעה של חלקיקים במהלך המדידות בסביבות benthic. למיטב המחברים, ניתוח פורמלי של טעויות שנוצר על ידי שדות הומוגניות ריכוז החלקיקים לא נערכו או בתנאי מעבדה או שדה, יש נושא שיקול נוסף בפרסום נפרד.
בנושאים שונים יש לשקול בעת הכנת וביצוע ניסויים באתרו באמצעות פרוטוקול. במהלך הקלטת, המפעיל הוא הורה להישאר נייח ולהימנע מכל מטוס מחוץ של תנועה סיבובית. בקשה זו היא פשוטה בתיאוריה, אבל בפועל קשה, ומדידות אלה דורשים מיומנות צלילה מתקדם להסתיים בהצלחה. Out-of המטוס בתנועות הסיבוב של התוצאה המפעיל נתונים שגויים DPIV. עם זאת, מטוס תנועות ניתן לתקן באמצעות in-house תוכנה. 6 מומלץ המפעיל לתרגל שליטה הציפה עבור מספר צלילות לפני השימוש SCUVA כדי למקסם את היעילות המדידה.
מלבד השיקולים הציפה, המפעיל צריך להיות מודע לכיוון זרימת היעד. תזרימי כי נסיעה מחוץ למטוס יחסית גיליון הלייזר לא תניב תוצאות DPIV אמין, והמפעיל צריך להתמצא SCUVA ללכוד זרמים אלה בצורה היעילה ביותר. בנוסף, עמדתו של הצוללן יחסית היעד חייב להיות selecteד כדי למזער צוללן-Induced לזרום המדידות. צולל-Induced זרימה מציג שגיאה לזרום היעד, מדידות הכוללות השפעות צוללן לא אמור לשמש לניתוח נוסף.
במקרה זה המטרה יש משטח מהורהר מאוד, באזור והנוזלים המקיפים את היעד יהיה מואר מאוד, ולכן קשה להבחין בין חלקיקים בודדים הסמוכה מן הנוזל המקיף (אזור מסומנים בחץ אדום, איור 2A). מסננים מקטבים או ניתן להוסיף את מעטה לייזר או מצלמה כדי להפחית את עוצמת האור הלייזר שנתפסו על ידי חיישן המצלמה וידאו. אם הדבר אינו אפשרי בשל אילוצים לוגיסטיים גישה מוגבלת, שלאחר עיבוד של תמונות באמצעות ציוד in-house תוכנה יכול לספק תיקון מספיק על ידי הפחתת מן התמונות בעוצמות גבוהות פיקסל ליד המטרה. שיקול נוסף אשר משפיע על איכות DPIV נתונים היא אם פסים החלקיקים נמצאים. אם חלקיקשדות יש אזורים של פסים (מסומנת אדום החץ, איור 2B), את מצלמת הווידאו הוא הקלטה בקצב מסגרת נמוך מדי כדי לפתור את מהירויות גבוהות. על ידי הגדלת מסגרת הדולר, פסים חלקיק יכול להיות מופחת. עם זאת, התוצאה היא הפחתה של אור להגיע לחיישן המצלמה וידאו הופך את תחום החלקיקים דימר להסתכל. אם מצלמת וידאו יש את היכולת להגדיר באופן ידני את הגדרות הצמצם, להגדיל את ההגדרה הצמצם כדי למנוע עמעום של השדה החלקיקים. קביעת הגדרות המכשיר האופטימלי עשוי לדרוש צלילות מרובות עם SCUVA לפני איסוף הנתונים מוצלח.
Disclosures
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע הוענק JOD (OCE-0623475), SPC (OCE-0623534 ו - 0727544), ו JHC (OCE OCE ו-0727587, 0623508), וכן על ידי משרד המחקר של הצי הוענק JHC ( N000140810654). KK נתמכת על ידי תוכנית חוקר פוסט דוקטורט במכון וודס הול לאוקיאנוגרפיה, עם במימון קרן Devonshire.
References
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).
- Willert, C. E., Gharib, M.
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer. New York. (2007).
- Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. Laser diffraction particle sizing in STRESS. Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).
- Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean. Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).
- Katija, K., Dabiri, J. O. In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA). Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).
