Summary
Этот протокол содержит инструкции о том, как использовать автономный подводный аппарат Velocimetry (SCUVA), который предназначен для количественного определения на месте животного генерируемых потоков. Кроме того, этот протокол адресов проблемы, возникающие в полевых условиях, и включает в себя оператор движения, прогнозируя положение животных, и ориентация SCUVA.
Abstract
Возможность непосредственно измерять поля скоростей в жидкости среды необходимо предоставить эмпирические данные для исследований в таких разнообразных областях, как океанография, экологии, биологии, механики жидкости и. Полевые измерения внедрения прикладных задач, таких как условия окружающей среды, животного доступность и необходимость поле-совместимых методов измерения. Чтобы избежать этих проблем, ученые обычно используют контролируемых условиях лаборатории для изучения животного жидкости взаимодействий. Тем не менее, было бы разумно на вопрос, можно ли экстраполировать естественное поведение (то есть, то, что происходит в поле) из лабораторных измерений. Таким образом, на месте количественного измерения расхода необходимо точно описать животное купание в их естественной среде.
Мы разработали автономные, портативные устройства, которое работает независимо от какой-либо связи с поверхностью, и может обеспечить количественные измерения surrou поле течениянахождении животного. Этот аппарат, автономный подводный аппарат Velocimetry (SCUVA), может работать от одного водолаза на глубине до 40 м. Из-за дополнительной сложности присущие полевых условий, дополнительного рассмотрения и подготовки требуется, по сравнению с лабораторными измерениями. Эти соображения включают, но не ограничиваясь этим, оператор движения, прогнозируя положение плавание целей, имеющихся природных взвешенных частиц, и ориентация SCUVA по отношению к потоку интерес. Следующий протокол предназначен для решения этих общих проблем области и максимально измерения успеха.
Protocol
- Чтобы начать эту процедуру, мы гарантируем, что все компоненты имеют SCUVA достаточным зарядом, запись ленты (для высокой четкости или HD-видеокамеры), и нормально функционировать. В зависимости от потоков для измерения, выберите разрешение видео камеры и частоты кадров, которые дают лучшие результаты для цифровых изображений Измерение скорости частицы (DPIV). 1,2
- Подготовка лазерной и кожухи для использования очистка уплотнительного кольца канавки и уплотнительные кольца с чистым полотенцем или салфеткой. Распространение производителя при условии, уплотнительное кольцо смазкой равномерно на уплотнительные кольца и заменить их в корпусе канавки. Кроме того, чистые отверстия лазера и корпус камеры для предотвращения деформации листа лазерных и знаки на объективе камеры жилья.
- Проверьте уплотнительные кольца, поставив оба пустых корпусов в ванне с водой. Взвешенный объекты должны быть размещены в верхней части корпуса, чтобы погрузить их, так как корпус поплавка в порожнем состоянии. Через 5 до 10 минут, снимите корпус из ванны и сухое полотенце тон на улице. Проверьте, есть ли какой-либо влаги внутрь корпуса. Также рекомендуется использовать одноразовые, полоски бумаги влаги во время испытания под давлением, чтобы указать, есть ли влаги в корпус после обследования.
- После корпуса проходят испытания под давлением, место SCUVA компоненты внутри корпуса.
- Прикрепить высокой интенсивности разряда (HID) свет стручки на корпусе камеры. Убедитесь, что огни ориентированы таким образом, что они освещают площадь непосредственно перед камерой и оператором, и не вмешиваются в поддержании сцепление на ручки и эксплуатации камеры контроля.
- В низкой освещенности, убедитесь, что лазерный луч правильно выровнен по отношению к оптической линзой установлены в лазерных жилья. При правильно выровнены, лазерная / объектив комбинация создаст вертикальный лист света, который ориентирован перпендикулярно к камере жилья. Для обеспечения безопасности использования чувствительных к температуре лист бумаги, чтобы определить лазерного ножа ориентации. Использование SCUVA вложений и жесткое, расширяемый руку, подключение жилищного лазера и камеры жилищно друг к другу. Убедитесь, что корпуса прочно прикреплены, и что корпус не может вращаться по отношению друг к другу. Очень важно, чтобы лазерный лист остается перпендикулярно поле зрения камеры по всему измерения.
- В связи со сложившейся возможности SCUVA, измерение погружения могут проводиться только в условиях низкой освещенности местах или в ночное время для предотвращения стихийных вмешательство света с лазерным листа. Таким образом, мы рекомендуем подождать до заката или поздно перед входом в воду.
- Включите камеру жилья перед входом в воду. Корпус камеры имеет встроенный электронный датчик влаги, что обеспечивает визуальное предупреждение (мигающий светодиод) в случае влаги в корпус камеры. Датчик работает только когда камера находится на жилье.
- Погрузитесь SCUVA в воде и приложить аппарат самостоятельно, используялинии. Как только прилагается к аппарату, релиз SCUVA для определения плавучести характеристики устройства. В зависимости от характеристик плавучести, приложите плавучести пены или привести вес в одном или обоих корпусах обеспечить нейтральную плавучесть и предотвращают вращение аппарата в воду.
- Затем включите лазер и держать аппарат стационарный. Позиция лазера на расширяемый руку достаточно далеко от дайвера, чтобы минимизировать измерения дайвер-индуцированных потоков. Любые измерения дайвер-индуцированных потоков вблизи мишени ввести ошибку и не используются для последующего анализа. Настройка масштабирования камеры пока поле зрения кадров цели и окружающей жидкости.
- Сохраняя аппарат стационарный, фокус видеокамеры на лазерном листа до частиц становится резким и в фокусе. Как только самолет лазерной лист находится в фокусе, переключение камеры в режим ручной фокусировки. Это позволит предотвратить камеры от переориентации на любые объекты, которые появляются в областизрения во время измерения, в результате чего размыты частиц в лазерной листа.
- Для калибровки SCUVA, место объекта с известными размерами в лазерном листа в поле видеокамеры зрения. Запись в течение нескольких секунд. После погружения, изображение будет извлечь из этого видео последовательности, чтобы определить калибровочная константа, которая преобразует поле зрения размером от единиц пикселей см. Если в любой момент оператор регулирует размеры поля зрения быть повторно позиции расширяемый руку или изменении масштабирования камеры во время погружения, шаги 12 и 13 необходимо будет повторить.
- Начало погружения, спускаясь на рабочую глубину. После обнаружения цели, экологические свойства объемных потоков должны быть определены. При наличии направления тока будет диктовать аппаратов и дайвер позиционирование по отношению к целевой в процессе измерения. Направление объемного течения окружающем мишень можно сделать вывод, наблюдая за пузырьками выдыхаемого из дайверов и отмечая их боковые движения. ВНаряду с пузырьками, небольшое количество флуоресцентного красителя (например, флуоресцеин) может быть освобожден, чтобы определить направление тока. Так как водолаз генерируемый поток может быть источником ошибок измерений DPIV, дайвер не должны располагаться выше по течению от цели. Кроме того, лазерный лист должен быть расположен параллельно направление тока так, чтобы максимизировать время пребывания частиц в лазерной лист, тем самым минимизируя DPIV ошибок. Однако, если нет тока или объемного потока присутствует, водолазных и SCUVA позиционирование по отношению к мишени ограничений.
- Позиция SCUVA, чтобы осветить и записывать движения жидкости окружающих цели. При попытке записи потока окружающих движущейся цели первого предсказать местоположение цели, а затем положение SCUVA, чтобы предсказать место, оставаясь неподвижным. Как цель движется через поле зрения камеры, начать запись. Если цель неподвижна, рамка цели и окружающей жидкости в видеокамеру и# X2019; с поля зрения и начать запись, оставаясь неподвижным. Оператор должен воздерживаться от вращательных и вне плоскости движения во время видеозаписи, так как эти движения приводят к ошибочным результатам DPIV. Таким образом, измерения, собранные в ходе вращательного и вне плоскости движения дайвера не будет использована для дальнейшего анализа данных.
- Как только видео коллекции завершено, отключите все компоненты SCUVA и восстановления лазерных руку, чтобы ее убранном положении. Удалить SCUVA из воды и отделить камеру и лазерный корпуса от руки. Промыть или понежиться аппарат в пресной воде перед сушкой для предотвращения коррозии аппаратуры. Как только корпус сушат, удалить компоненты из корпусов, и пополнения и замены батарей в случае необходимости для другого погружения.
- Подключите видеокамеру к компьютеру и извлекать видео из ленты HD с помощью программного пакета HD видео (например, Adobe Premiere Pro или iMovie). После видео добывается, определить диапазонвидео должны быть переведены в серии изображений для анализа DPIV. Убедитесь, что пиксель пропорциями и экстрагируют размеры изображения соответствуют параметрам видео высокой четкости.
- Эти изображения будут импортированы в программу DPIV обработки (например, Дэвис или MatPIV). После правильного выбора постоянной калибровки и съемку изображений с параметрами, которые побудили из пакета программного обеспечения DPIV, поля скоростей могут быть сгенерированы из последовательных изображений частиц. Дополнительный пост-обработки шагов, в зависимости от качества и типа измерений, также может быть применен. 3
Представитель Результаты:
Когда протокол все сделано правильно, изображения частиц окружающего мишень будет четким и легко отличить. Использование частиц поля захваченных на месте с помощью видеокамеры SCUVA (Рисунок 1А) и программное обеспечение DPIV обработки пакета, поля скоростей потока окружающем мишень (рис. 1б) будет раскрыта. Векторы в скоростяхти поля указывают величину и направление локальной скорости потока. При достаточном видео собирается предоставить временные ряды изображений, временных рядов полей скорости также может быть определена.
Рисунок 1 Измеренные на месте поля частицы (), окружающие Aurelia labiata. Корреспондент поля скорости (Б) с желтыми векторов указывает направление потока и величины.
Рисунок 2 В месте поля частицы окружающих Mastigias зр. Solmissus и зр. (А и В, соответственно). Красная стрелка указывает в область высокой отражательной способностью, что приводит к насыщенности изображения, что делает ее трудно провести различие между частицами и цели. Красная стрелка В указывает на область полос, что результаты, когда скорость потокаНе пробы при достаточно высокой частоте.
Discussion
Потенциальные ограничения в этой области заключается в необходимости для частиц в потоке, которые необходимы для реализации цифрового изображения Измерение скорости частицы (DPIV). В прибрежных водах, взвеси экспонатов размерами порядка 10 мкм в диаметре и концентрациях от 0,002 до 10 на мм 3. 4 Дополнительные исследования с использованием погружных holocamera для регистрации частиц подтвердить наличие достаточных посева частиц выполнять DPIV в воде океана. 5 В открытом море и прибрежной дайвинг океана, мы обнаружили, что плотности частиц и размеры не являются препятствием для проведения на месте DPIV.
Помимо плотности частиц и размеров, другой вопрос, имеющие отношение к DPIV измерений однородности концентрации частиц.
Качественно, если регион в течение допроса окно имеет больше концентрации частиц, чем другой, модуль скорости порожденное DPIV анализ будет смещен в сторону области с более высокой концентрацией частиц. Таким образом, SCUVA измерения должны проводиться, где изменчивость концентрации частиц сведено к минимуму. Мы обнаружили, thatcle концентрации относительно постоянным в течение концентрации частиц являются относительно постоянными в течение погружения, где дайвер приостановлено в середине толще воды. Тем не менее, частица полей в донной среде есть потенциал для неоднородности за счет ресуспендирования частиц окружающей среды или водолаз-индуцированных потоков вблизи морского дна. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы минимизировать разрушение частиц при измерениях в донных сред. Насколько известно авторам, формальный анализ ошибок, порожденных неоднородных полей концентрации частиц не проводилось ни в лабораторных и полевых условиях, и должны быть предметом для дальнейшего рассмотрения в отдельной публикации.
Несколько различных вопросов следует учитывать при подготовке ина месте проведения экспериментов с использованием протокола. Во время записи, оператор получает указание оставаться неподвижным и воздерживаться от всех вне плоскости и вращательного движения. Этот запрос просто в теории, но на практике трудно, и эти измерения требуют продвинутых дайвинг умение быть успешно завершена. Из-плоских и вращательных движений оператора в результате ошибочных данных DPIV. Тем не менее, в плоскости движения могут быть исправлены с помощью собственного программного обеспечения. 6 Рекомендуется оператора к практике контроля плавучести в течение нескольких погружений перед использованием SCUVA максимально измерения эффективности.
Кроме того плавучести соображений, оператор должен быть в курсе направления целевого потока. Потоки, которые путешествуют вне плоскости относительно лазерной лист не даст достоверных результатов DPIV, и оператор должен ориентироваться SCUVA для захвата этих потоков наиболее эффективно. Кроме того, положение дайвера относительно цель должна быть selecteг так, чтобы минимизировать дайвер-индуцированного потока в измерениях. Дайвер-индуцированный поток вводит ошибку целевого потока, и измерения, которые включают дайвер эффекты не должны использоваться для дальнейшего анализа.
В случае, если цель имеет отражающую поверхность, жидкость области, окружающей цель будет сильно освещена, что делает его трудно отличить поблизости отдельных частиц из окружающей жидкости (регион указывает красная стрелка на рис 2А). Фильтры и поляризаторы могут быть добавлены к лазерным или термокожухи снизить интенсивность лазерного излучения, захваченных датчика видеокамера. Если это невозможно из-за материально-технические трудности и ограниченный доступ к оборудованию, пост-обработку изображения с помощью собственного программного обеспечения могут обеспечить достаточную коррекцию путем вычитания из изображений повышенной интенсивности пикселей вблизи мишени. Еще одно соображение, которое влияет на качество DPIV данных, является ли частица полосы присутствуют. Если частицаполей регионах полос (указаны красными стрелками, на рисунке 2В), видеокамера находится в режиме записи с частотой кадров, слишком низка, чтобы разрешить эти высоких скоростях. Увеличивая частоту кадров, частица полос может быть уменьшена. Однако, это приводит к снижению света, достигающего датчика видеокамера и делает вид поля частицы диммер. Если видеокамера имеет возможность ручной установки диафрагмы, увеличение диафрагмы для предотвращения затемнения поля частицы. Определение оптимальных параметров устройства может потребоваться несколько погружений с SCUVA до успешного сбора данных.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Это исследование проводится при поддержке Национального научного фонда награждены JOD (ВВЦ-0623475), SPC (ВВЦ-0623534 и 0727544), и JHC (ВВЦ-0727587 и 0623508-ВВЦ) и Управлением военно-морских исследований присуждена JHC ( N000140810654). К. К. поддерживается Докторантура Программа исследователь в Вудс-Холе океанографического института, при финансовой поддержке Фонда Девоншир.
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).
