Summary
このプロトコルは、その場動物によって生成されたフローでの定量化のために設計されている自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を、使用する方法について説明します。さらに、このプロトコルは、フィールドの条件によってもたらされる課題に対処し、そして動物の位置、およびSCUVAの方向を予測する、演算子の動きが含まれています。
Abstract
直接液体の環境での速度場を測定する能力は、海洋学、生態学、生物学、および流体力学など様々な分野での研究のための実証的データを提供することが必要である。フィールド測定では、このような環境条件、動物の可用性、およびフィールド互換の測定技術の必要性などの実用的な課題が生じます。これらの課題を回避するために、科学者は通常、動物、流体の相互作用を研究するために管理された実験室環境を使用してください。しかし、それは1つが研究室で測定した（フィールドで発生すること、すなわち、）自然な動作を推定できるかどうかを問うことが妥当である。したがって、 その場定量的なフローの測定で正確に彼らの自然な環境の中で動物の水泳を記述するために必要とされる。
我々は、表面への接続とは独立に動作する自己完結型、ポータブルデバイスを設計し、流れ場surrouの定量的測定を提供することができます動物をnding。この装置、自己完結型の水中速度計測装置（SCUVA）は、最大40メートルまでの深さで、単一のスキューバダイバーによって操作することができます実験室での測定値と比較すると、フィールドの条件、その他の考慮事項と準備の固有の複雑さに起因するが必要です。これらの考慮事項が含まれるが、水泳の目標、利用可能な天然の浮遊粒子、および関心の流れに相対的SCUVAの方向の位置を予測する、演算子の動きが、これらに限定されない。以下のプロトコルは、これらの共通のフィールド上の課題に対処するため、測定の成功を最大化することを目的としています。
Protocol
- この手順を開始するには、我々はすべてのSCUVAのコンポーネントが適切に十分なバッテリーの電力、録音テープ（高精細またはHDのビデオカメラ用）、および機能を持っていることを確認してください。測定するフローに応じて、デジタル粒子画像流速測定法（DPIV）のために最良の結果が得られるビデオカメラの解像度とフレームレートを選択します。1,2
- 清潔なタオルでO -リング溝とOリングをクリーニングして使用するためのレーザーとカメラハウジングを準備したり拭いてください。スプレッドの製造業者は、O -リングに均等にO -リングのグリースを提供し、ハウジングの溝にそれらを交換してください。さらに、カメラハウジングのレンズにレーザーシートの変形とマークを防止するためのレーザーとカメラのハウジングの開口部を清掃してください。
- 水の完全な浴槽に空の筐体の両方を配置することにより、O -リングのシールを確認してください。加重オブジェクトは、ときに空の筐体が浮くので、水没、それらのハウジングの上部に配置する必要があります。 5〜10分後、浴槽やタオルドライしたtからハウジングを取り外します外に彼。ハウジング内部に湿気があるかどうかを確認してください。また、試験後のハウジングの水分があるかどうかを示すために、圧力のテスト中に使い捨て、紙の水分ストリップを使用することを検討してください。
- ハウジングは耐圧テストに合格した後、ハウジング内部のSCUVAのコンポーネントを配置します。
- カメラハウジングに高輝度放電（HID）ライトポッドを取り付けます。ライトは、彼らが直接前方カメラと演算子の面積を照らすように配向している、とカメラのコントロールのハンドルと操作上のグリップを維持するために干渉しないことを確認してください。
- 低照度の環境では、レーザービームが適切にレーザーのハウジングに取り付けられた光学レンズと相対的に配置されていることを確認します。適切に配置する場合は、レーザー/レンズの組み合わせは、カメラハウジングに垂直に配向している光の垂直方向のシートを作成します。安全のために、レーザーシートの向きを決定するために、紙の温度感受性シートを使用してください。 SCUVAの添付ファイルと剛性、伸縮アームを使用して、お互いにレーザーのハウジングとカメラ筐体を接続する。ハウジングがしっかりと取り付けられていることとハウジングが互いに回転できないことを確認してください。それは、レーザーシートを測定を通してカメラの視野に垂直に配向ようにすることが重要です。
- SCUVAの電流機能により、測定のダイブは、レーザーシートと自然光の干渉を防ぐために、低照度の場所でまたは夜間で行うことができる。したがって、我々は、水に入る前に、夕暮れまで、または後で待っていることをお勧めします。
- 水に入る前にカメラハウジングをオンにします。カメラハウジングは、カメラハウジング内の水分の場合には視覚的な警告を（LEDライトの点滅）を提供する、組み込みの電子水分センサーを持っています。センサーは、カメラハウジングがオンのときに動作します。
- 浸し水でSCUVAと使用して自分自身に装置を取り付けライン。一度装置に接続されている、デバイスの浮力特性を決定するためにSCUVAを離します。浮力の特性に応じて、中立的な浮力を確保し、水で装置の回転を防ぐために、一方または両方のハウジングに浮力の発泡体又は鉛の重みを添付する。
- 次に、レーザーのスイッチを入れ、装置が静止して保持する。ダイバーによって誘発されるフローの測定を最小限に抑えるためにダイバーから十分に遠く伸縮アームを使用してレーザーを置きます。ターゲットの近くにダイバーによって誘発されるフローの任意の測定値は、エラーを紹介し、その後の分析には使用されません。ビューのフレームのフィールドターゲットと周囲の流体まで、カメラのズームを調整します。
- 装置が静止して維持しながら、粒子がシャープに表示され、焦点になるまで、レーザーシートにビデオカメラを置いています。レーザーシート面が焦点になると、マニュアルフォーカスモードにカメラを切り替える。これは、フィールドに表示される任意のオブジェクトにリフォーカスからカメラを防止しますレーザーシートでぼやけ粒子で、その結果、測定中に表示。
- SCUVAのキャリブレーションを行うには、ビューのビデオカメラの視野内でレーザシート内の既知の寸法を持つオブジェクトを置きます。数秒のための記録。ダイブした後、画像はピクセルの単位からcmにビューのサイズのフィールドを変換する校正定数を決定するためにこのビデオシーケンスから抽出されます。いつでも、オペレータは、ビューの大きさのフィールドは、ダイブ中に再位置伸縮アームやカメラのズームを変更するよう調整する場合、手順12および13が繰り返される必要があります。
- 作業深さに降順でダイビングを始める。ターゲットを見つけると、環境バルク流動特性を決定する必要があります。存在する場合、現在の方向は装置と測定時のターゲットへの相対的なダイバーの位置が決まります。ターゲットを取り巻く大きな流れの方向は、気泡がダイバーから呼気観察し、その横方向の動きに注目することによって推測することができます。の泡に加えて、蛍光色素の少量（すなわち、フルオレセインは）現在の方向を決定するために解放することができます。ダイバーによって生成されたフローは、DPIVの測定誤差の原因となることができるので、ダイバーは、ターゲットの上流に配置されるべきではない。さらに、レーザーシートは、それによってDPIV誤差を最小にする、レーザーシート内の粒子の滞留時間を最大にするように電流の方向に平行に配置する必要があります。しかし、現在またはバルクフローが存在しない場合は、ターゲットへのダイバーとSCUVAの位置決め相対的に制限はありません。
- 位置SCUVAが点灯し、ターゲットを周囲の流体の動きを記録する。動く標的を取り巻く流れを記録しようとする場合、最初のターゲットの位置を予測し、静止したまま、予測場所にSCUVAを置きます。ターゲットがカメラの視野内を移動する、録音を開始します。ターゲットが動かないの場合は、ビデオカメラ＆でターゲットと周囲の流体をフレーム＃x2019;静止したまま、記録を表示し、開始の秒フィールド。オペレータが誤ったDPIVの結果、これらの運動の結果以来、ビデオの録画中に回転し、面外運動は控えるべきである。したがって、測定は回転中に収集し、面外のダイバーの動きは、さらにデータ解析に使用されることはありません。
- ビデオのコレクションが完了すると、SCUVAのすべてのコンポーネントをオフにし、その後退位置にレーザーアームを復元します。水からSCUVAを外し、腕からカメラとレーザーハウジングを切り離します。すすぎや装置の錆を防止するため、乾燥する前に新鮮な水で装置を浸す。ハウジングが乾燥したら、ハウジングからコンポーネントを削除し、別のダイビングに必要な場合は、電池を再充電して交換してください。
- コンピュータにビデオカメラを接続し、HDビデオのソフトウェアパッケージ（すなわち、Adobe Premiere ProやiMovieを）使用してHDのテープからビデオを抽出する。ビデオを抽出した後、の範囲を決定するDPIV解析のための一連の画像に変換するビデオ。ピクセルのアスペクト比と抽出画像のサイズはHDビデオの設定と一致していることを確認してください。
- これらのイメージは、DPIV処理プログラム（すなわち、デイビスまたはMatPIV）にインポートされます。 DPIVのソフトウェアパッケージからプロンプトが表示されているキャリブレーション定数と画像のキャプチャパラメータを、適切に選択した後、速度場は、連続した粒子画像から生成することができます。測定の品質と種類に応じて追加の後処理の手順は、適用することもできます3。
代表的な結果：
プロトコルが正しく行われている場合、ターゲットの周囲の粒子画像は、シャープと区別しやすくなります。 SCUVAのビデオカメラ（図1A）とDPIV処理ソフトウェアパッケージによりその場でキャプチャされた粒子のフィールドを使用して、ターゲットの周囲流れ（図1B）の速度場は明らかにされる。 velociのベクトルtyのフィールドは、ローカルの流速の大きさと方向を示します。十分なビデオは画像の時系列を提供するために収集されている場合は、速度場の時系列も調べることができる。
図1は、 アウレリアlabiataを取り巻くその場粒子のフィールド（A） で測定。流れの方向と大きさを示す黄色のベクトルと対応する速度場（B）。
Mastigias SPを取り巻くその場粒子の分野では 図2。とSolmissus属 （AとB、それぞれ）。の赤の矢印は、それが困難な粒子とターゲットを区別すること、画像の彩度、その結果、高反射率、の領域を示している。 Bの赤の矢印は、その流量が結果ストリーキングの領域を示しています十分に高い周波数でサンプリングされません。
Discussion
フィールド内の潜在的な制約は、デジタル粒子画像流速測定法（DPIV）を実装するために必要な流れ中の粒子、が必要です。沿岸水で、浮遊粒子状物質が0.002とmm 3の 10の直径と濃度では10μm程度の大きさを示す。海洋深層水でDPIVを実行するために粒子をシードの十分なプレゼンスを確認する粒子検出のために潜水艇のholocameraを使用して、4その他の研究では、。外洋と沿岸の海のダイビング中、5、我々は粒子の密度とサイズがその場 DPIV に実施するための制約ではないことを発見した。
さておき粒子密度とサイズから、DPIVの測定に関連するもう一つの懸念は、粒子濃度の均一性です。
定性的には、尋問のウィンドウ内の領域は別のより大きな粒子の濃度、Dによって生成される速度の大きさを持っている場合PIV解析は、より高い粒子濃度で地域に偏っされます。粒子濃度の変動が最小化されている場所従って、SCUVAの測定が行われなければならない。我々はthatcle濃度は、粒子の濃度が比較的一定なダイバーが水の列の途中で中断されているダイビング中に比較的一定であるが見つかりました。しかしながら、底生生物の環境中の粒子のフィールドは、海底付近の環境やダイバーによって誘発されるフローによる粒子の再懸濁による不均一性の可能性を秘めている。ケアは、底生環境での測定の間の粒子の中断を最小限に注意する必要があります。著者らの知る限りでは、不均一な粒子濃度のフィールドによって生成されたエラーのフォーマル解析は、実験室やフィールド条件のいずれかで行われていない、と別のパブリケーションでさらに検討対象とすべきである。
準備とするとき、いくつかの異なる問題を考慮する必要がありますプロトコルを使用してその場実験で行って。録音しながら、演算子は静止したままとすべての面外回転運動を控えるように指示されます。この要求は、実際には理論的にはシンプルですが難しいですが、その測定値が正常に完了するために高度なダイビングスキルが必要です。アウトオブプレーンおよび誤ったDPIVのデータの演算結果の回転運動。しかし、面内の運動は、社内のソフトウェアを使用することで解決できます。6これは、測定効率を最大化するためにSCUVAを使用する前にいくつかのダイブを浮力のコントロールを練習するためにオペレータにお勧めします。
浮力の考慮事項に加えて、オペレータは、ターゲットの流れ方向に注意する必要があります。レーザーシートへの相対的なフローはその旅の面外は、信頼性のDPIVの結果を得られません、そして演算子は向きSCUVAは、最も効果的にこれらのフローをキャプチャする必要があります。さらに、ターゲットへの相対的なダイバーの位置はselecteにする必要がありますdは、その測定値のダイバーによる流動を最小限にするように。ダイバーによる流動は、目標流量に誤差を導入し、ダイバーの効果を含めた測定値は、さらなる分析のために使用しないでください。
ターゲットが非常に反射面を保持している場合に、ターゲットを周囲の流体領域が強く、それが難しい周囲の流体（赤の矢印、図2Aで示される領域）から近くの個々の粒子を区別すること、点灯します。フィルタや偏光板は、ビデオカメラのセンサーが捉えたレーザ光の強度を減らすためにレーザーやカメラハウジングに追加することができます。これが原因で物流の制約や機器へのアクセスを制限することができない場合は、ソフトウェアの社内で使用して画像の後処理は、画像からターゲットの近くに上昇したピクセルの輝度を減算することで十分な補正を提供することができます。 DPIVデータの品質に影響を及ぼす別の考慮事項は、粒子の縞が存在するかどうかです。粒子の場合フィールドは、ビデオカメラは、これらの高い速度を解決するために低すぎるフレームレートで記録され、（赤い矢印、図2Bで示される）縞の領域を持っている。フレームレートを増加させることにより、粒子のストリーキングを低減させることができる。しかし、光がビデオカメラのセンサーに到達するとパーティクルのフィールドの外観の調光器を作るの削減でこの結果。ビデオカメラは、絞り値の設定を設定する機能がある場合は、パーティクルのフィールドの調光を防ぐために絞り値を大きくします。最適なデバイスの設定を決定することに成功したデータの収集前にSCUVAを持つ複数のダイブが必要な場合があります。
Disclosures
利害の衝突は宣言されません。
Acknowledgments
この研究は、（国立科学JODに授与財団（OCE - 0623475）、SPC（OCE - 0623534および0727544）、およびJHC（OCE - 0727587とOCE - 0623508）でサポートされており、米海軍研究局によってJHCに授与されるN000140810654）。 KKは、デヴォンシャー財団が提供する資金で、ウッズホール海洋研究所でポスドク学者のプログラムによってサポートされています。
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).
