CN207201762U - 一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，包括透明水槽，透明水槽内设有隔板，隔板安装于可升降操作架上，隔板上方的透明水槽内部空间设置鱼体和PIV示踪粒子；透明水槽侧面设有激光发射器，透明水槽上方设有CCD高速摄像机，CCD高速摄像机与图像处理系统连接，CCD高速摄像机上方设有红外高清摄像头，红外高清摄像头也与图像处理系统连接；本实用新型可以获得鱼类不同行为反应下对应的流场结构，建立了鱼类行为与鱼体微流场的响应机制。

Description

一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置

技术领域

本实用新型涉及渔业技术领域，具体地指一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置。

背景技术

大坝的修建破坏了河流原有的生态系统，对其中洄游性鱼类的生长和繁殖有着不利的影响。鱼道修建已经成为鱼类上溯必不可少的结构。某一特定鱼种的游泳能力是修建鱼道时所要考虑的主要因素之一。估计鱼的游泳能力往往需要理解鱼道中复杂的流场状况。因此，研究鱼类周身的流场对洄游性鱼类物种多样性的保护具有重大意义，而周身流场的变化与鱼内的行为是密不可分的，例如摆尾、顶流前进、顶流倒退以及在复杂水力环境下做出的快速启动和逃逸行为。

目前商业测量流场的仪器有ADV(Acoustic Doppler Velocimetry，声学多普勒流速仪)、便携式流速仪等，这些测量工具可以单点测量该点的流速，且由于其必须接触流体内部，所获得的流场往往并不准确。粒子图像测速(ParticalImageVelocimetry，PIV)技术，由于其非侵入性和瞬时性的优点，弥补了上述带来的不足，从而精确获得水槽中二维平面的流场情况。结合红外高清摄像设备可以实时捕捉鱼类行为，将两者结合便可以获得鱼类不同行为反应下对应的流场结构。

PIV技术作为一种非侵入性的方法测量流体的速度场，已经广泛应用于流体动力学的研究中，目前研究的实验方法仅停留在用PIV技术研究鱼类摆尾产生的流场，并没有研究流场与整个鱼类行为的对应关系。这种单一的研究方法仅能获得鱼体尾部的流场，忽视对鱼的整体的变化，得到的结果往往不具有代表性。其次，它仅仅只是研究鱼体流场的结构，而不与鱼类行为结合起来，指导实际工程的实用性不够。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，以获得鱼类不同行为反应下对应的流场结构，建立鱼类行为与鱼体微流场的响应机制。

本实用新型为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，包括透明水槽，所述透明水槽内设有隔板，所述隔板安装于可升降操作架上，所述隔板上方的透明水槽内部空间设置鱼体和PIV示踪粒子；

所述透明水槽侧面设有激光发射器，所述透明水槽上方设有CCD高速摄像机，所述CCD高速摄像机与图像处理系统连接，所述CCD高速摄像机上方设有红外高清摄像头，所述红外高清摄像头也与图像处理系统连接。

优选地，所述激光发射器与透明水槽侧面之间还设有D型柱透镜。

优选地，所述透明水槽为长方体形状，所述隔板为与透明水槽形状匹配的矩形板材结构。

优选地，所述可升降操作架包括位于透明水槽外侧的四个伸缩杆，所述伸缩杆顶部与L型支架一端固定连接，所述L型支架另一端与隔板上表面固定连接。

优选地，所述红外高清摄像头通过支撑架固定。

本实用新型的有益效果：本实用新型可以获得鱼类不同行为反应下对应的流场结构，建立了鱼类行为与鱼体微流场的响应机制。

附图说明

图1为一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置的结构示意图；

图2为图1中透明水槽1与可升降操作架3的安装透视结构示意图；

图3为鱼体摆尾示意图；

图中，透明水槽1、隔板2、可升降操作架3、伸缩杆3.1、L型支架3.2、鱼体4、PIV示踪粒子5、激光发射器6、CCD高速摄像机7、图像处理系统8、红外高清摄像头9、支撑架9.1、D型柱透镜10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1至3所示，一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，包括透明水槽1，所述透明水槽1内设有隔板2，所述隔板2安装于可升降操作架3上，所述隔板2上方的透明水槽1内部空间设置鱼体4和PIV示踪粒子5；

所述透明水槽1侧面设有激光发射器6，所述透明水槽1上方设有CCD高速摄像机7，所述CCD高速摄像机7与图像处理系统8连接，所述CCD高速摄像机7上方设有红外高清摄像头9，所述红外高清摄像头9也与图像处理系统8连接。

优选地，所述激光发射器6与透明水槽1侧面之间还设有D型柱透镜10。

优选地，所述透明水槽1为长方体形状，所述隔板2为与透明水槽1形状匹配的矩形板材结构。

优选地，所述可升降操作架3包括位于透明水槽1外侧的四个伸缩杆3.1，所述伸缩杆3.1顶部与L型支架3.2一端固定连接，所述L型支架3.2另一端与隔板2上表面固定连接。

优选地，所述红外高清摄像头9通过支撑架9.1固定。

本实施例工作原理如下：

本实施例中的透明水槽1为四周透明的矩形有机玻璃钢水槽，其规格为长×宽×高分别为1m×0.5m×0.5m。隔板2上表面还贴有反光纸，隔板2的四个角点分别被固定在可升降操作架3的L型支架3.2上，伸缩杆3.1可以上下伸缩从而调整隔板2在透明水槽1内的高度，在隔板2上方的透明水槽1内设置鱼体4，并布撒PIV示踪粒子5，隔板2可以根据实际情况将鱼体4和PIV示踪粒子5限定在透明水槽1内的某一层区域；本实施例中所采用的PIV示踪粒子5是直径为10微米的空心玻璃微珠，它能长时间悬浮于水体中，而不产生沉降，且随水流运动的跟随性较好，当透明水槽1内的鱼体4在自由游泳时，产生的水流扰动带动了PIV示踪粒子5的位移。

本实施例在透明水槽1的左右两侧对称布置了一台激光发射器6，在激光器供电器持续供电下产生一束高能激光，穿过D型柱透镜10形成一个面光源。通过控制透明水槽1内的水深，使鱼体4在隔板2上方游动时，面光源刚好照射在鱼体中线处；

在透明水槽1上方的CCD高速摄像机7记录鱼体4周身PIV示踪粒子5的运动，拍摄的视频通过图像处理系统8进行处理，从而获取鱼体4周身的流场。同时，因为PIV系统需要在无外界光的干扰下实验，所以红外高清摄像头9在光照不强的环境下，可以清晰获得鱼体4的行为学参数。

在本实例1中，鱼体4的体高为0.08m，透明水槽1的高度为0.5m，水深为0.48m，通过调整可升降操作架3，使隔板2的高度降落至水深0.4m处，此时通过面光源的高度为0.44m处，使其刚好落在鱼体4的中线处。本实施例中隔板2的高度还可以根据鱼体的体高来调整，具有灵活性和普适性。

另外图像处理系统8具体处理流程为，图像处理系统8将CCD高速摄像机7获取的流场视频导入Virtual Dub中变成图片格式，将连续的图片序列导入基于Matlab运行的子数据库PIVlab中，分析流场信息，例如速度、涡量等水力学信息。另一方面，图像处理系统8将红外高清摄像头9拍摄的视频，通过转码软件转码成MP4(或AVI)格式，将转换的格式导入Logger Pro中，即可获取连续时间下的坐标。

通过上述公式(1)、(2)，可获知鱼体的速度。

通过上述公式(3)、(4)，可获知鱼体的加速度。

其中，θ是摆尾角度，L是鱼体竖直中线至摆尾顶端交点的距离，H是尾巴顶端到鱼体水平中线的垂线距离，通过公式(5)即可获知鱼体的摆尾角度。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，包括透明水槽（1），其特征在于：所述透明水槽（1）内设有隔板（2），所述隔板（2）安装于可升降操作架（3）上，所述隔板（2）上方的透明水槽（1）内部空间设置鱼体（4）和PIV示踪粒子（5）；

所述透明水槽（1）侧面设有激光发射器（6），所述透明水槽（1）上方设有CCD高速摄像机（7），所述CCD高速摄像机（7）与图像处理系统（8）连接，所述CCD高速摄像机（7）上方设有红外高清摄像头（9），所述红外高清摄像头（9）也与图像处理系统（8）连接。

2.根据权利要求1所述的一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，其特征在于：所述激光发射器（6）与透明水槽（1）侧面之间还设有D型柱透镜（10）。

3.根据权利要求1或2所述的一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，其特征在于：所述透明水槽（1）为长方体形状，所述隔板（2）为与透明水槽（1）形状匹配的矩形板材结构。

4.根据权利要求1所述的一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，其特征在于：所述可升降操作架（3）包括位于透明水槽（1）外侧的四个伸缩杆（3.1），所述伸缩杆（3.1）顶部与L型支架（3.2）一端固定连接，所述L型支架（3.2）另一端与隔板（2）上表面固定连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种研究鱼类行为与周身流场的实验装置，其特征在于：所述红外高清摄像头（9）通过支撑架（9.1）固定。