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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Partikeldetektion
in einem strömenden
Fluid in einem optisch begrenzten Messvolumen mit einer Beleuchtungseinrichtung
aus einer Lichtquelle, einem Blendensystem und einem fokussierenden
Linsensystem sowie mit einer optischen Auswerteinheit mit weiteren
Blenden und Linsen und einem auf das Messvolumen ausgerichteten
Aufnahmesystem.
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Ein
zentrales Ziel der Meeresökologie
ist das Verständnis
der Verteilung von planktischen Organismen im Meer und deren regulierende
Prozesse. Besonders von Interesse sind hierbei Abundanz und Diversität kleiner
Plankter, die auf Grund ihrer Individuenanzahlen eine der größten Quellen
tierischen Eiweißes
im Meer darstellen. Ihnen kommt dadurch eine wichtige Bedeutung
im biologischen Stoffkreislaufsystem zu. Der ungeklärte Einfluss
von anthropogenen und klimatischen Veränderungen auf marine Ökosysteme
ist dabei in den letzten Jahren und Jahrzehnten in den Blickpunkt
der Wissenschaft geraten. Es wird heute allgemein anerkannt, dass
Abundanz und Diversität
verschiedener planktischer Organismen unter anderem mit den physikalischen
Parametern der Umgebung korreliert sind. Die hydrodynamischen Prozesse
im Wasserkörper
können
dabei sowohl zu einer Dispersion der Plankter als auch zu gehäuftem Auftreten
führen.
Diese regulierenden Prozesse der Verteilung von Zooplankton in Zeit
und Raum sind von zentraler Bedeutung, um auf Zusammenhänge mit
biotischen und abiotischen Veränderungen
zu schließen
und Aussagen über
das Ökosystem
zu treffen. Dazu werden Methoden benötigt, um diese Verteilungen
großflächig auf
räumlich
und zeitlich kleinen Skalen aufzulösen. Die traditionelle Methode
der Beprobung mit Netzen ist sehr zeitintensiv und ermöglicht nur
eine begrenzte Auflösung
im kleinskaligen Bereich. Aus diesem Grund sind in der Vergangenheit
eine Reihe neuer Methoden und Ansätze entwickelt worden, um das
Verständnis
der systemischen Ökologie
zu erweitern. Neben den akustischen ist besonders der Bereich der
bildgebenden Verfahren von Interesse. Die hier eingesetzten Geräte werden
als „Video-Plankton-Rekorder" VPR bezeichnet.
Sie bieten zudem den Vorteil, dass fragile Arten, wie z.B. gelatinöses Plankton,
in situ untersucht werden können
und Informationen über
die Biologie dieser Vertreter erhalten werden, die mit klassischen
Methoden während
der Beprobung zerstört würden. Bilder
dieser Arten im natürlichen
Habitat lassen Rückschlüsse auf
Verhalten, Verbreitung und Interaktionen zu.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene VPR für einen mobilen Schleppbetrieb
bekannt. Der VPR von der Firma SEASCAN, Inc. Falmouth, MA, USA ist
beispielsweise aus der Veröffentlichung I „Autonomous
Vertically Profiling Plankton Observatory" (Coastal Ocean Institute WHOI, abrufbar
aus dem Internet unter der Webadresse http://4dgeo.whoi.edu/vpr/vpr_overview.html,
Stand 08.06.2005), der Veröffentlichung
II „Video
Plankton Recorder on CTD" (NOAA
Arctic Research Office, abrufbar im Internet unter der Webadresse http://www.arctic.noaa.gov/aro/russianamerican/cruise10-ctd-rosette.htm,
Stand 08.06.2005) oder aus dem Globec-Newsletter Vol.8, No. 2, October 2002,
pp 20–21
unter der Veröffentlichung
III „Video
Plankton Recorder reveals environmental problems of marine copepod" von C. Möllmann et
al. bekannt. Dieses Gerät
wird hinter einem Schiff geschleppt und dient der profilierenden
Planktondetektion mit einem Videokamerasystem. Einzelheiten zum
eingesetzten Blenden- und Linsensystem sowie zur Ausgestaltung der
Lichtquelle sind nicht bekannt. Der relativ aufwändige und Platz einnehmende
Aufbau fördert
jedoch Störungen
im Betrieb und bei der Handhabung sowie Probleme bei der Auswertung. Außerdem kann
das Gerät
nicht ohne größeren Aufwand
oder Modifikationen stationär
autark arbeiten. Bei einem ähnlichen
Gerät aus
Kanada handelt es sich um einen Optical-Plankton-Counter. Dieses
Gerät liefert
jedoch keine Bilder, sondern misst nur Partikelgrößenverteilungen,
welche nur mit einer gewissen Unsicherheit einzelnen Arten zugewiesen
werden können.
Neuere Modelle nutzen eine Laserlichtquelle zur verbesserten Größenauflösung.
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Alle
bekannten VPR nutzen punktförmige Lichtquellen
und einzelne sphärische
Linsen zur Kollimation. Im großskaligen
Bereich kommen auch starke Halogensysteme und Fresnellinsen zum
Einsatz. Die bekannten Vorrichtungen haben aber zum Problem, dass
keine scharfe optische Begrenzung des Messvolumens erzeugt werden
kann und die Tiefenschärfe
im Messvolumen softwaretechnisch justiert wird, was im kleinskaligen
Bereich der Planktonbeobachtung zu hohen Ungenauigkeiten der Volumeneinschätzung führt.
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Auf
dem allgemeinen Gebiet der Partikeldetektion sind weitere verschiedene
Vorrichtungen bekannt. Aus der
DD 232 552 A1 ist eine Einrichtung zur Zählung und
Klassifizierung von dispergierten Teilchen in Flüssigkeiten, z.B. Farben, mit
einem von einer Messzelle räumlich
begrenzten Messvolumen bekannt. Zur Ausleuchtung des Messvolumens
dient ein Laserstrahl, wobei der Strahlfokus in der Mitte des Messvolumens
liegt, sodass das detektierte Messvolumen auf einen Punkt reduziert
wird. Zur Detektion wird die Streulichtintensität jedes Teilchens gemessen.
Dabei wird angenommen, dass die Intensität des Streulichts unter kleinen
Winkeln eine Funktion des Partikelvolumens ist. Das Messvolumen
ist durch die Ausbildung der Messzelle so eingeengt, dass sich immer
nur ein Teilchen im Lichtfokus befindet, dessen Streuung im Laserlicht
gemessen wird. Die Flüssigkeiten
werden mit einer Injektionsspritze in die Messkammer eingespritzt,
eine Erfassung und Bestimmung von Partikeln in einem frei strömenden Fluid
ist mit der bekannten Einrichtung nicht möglich. Weiterhin können nur
relativ große
Partikel detektiert werden, die sich in der Messzelle vereinzeln
lassen. Die
DD 221 861
A1 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung
eines zweidimensionalen Lichtstreifens zur Mustererkennung und Identifizierung
von Werkstücken
in industrieller Umgebung. Dazu wird eine lineare Lichtquelle verwendet,
deren Strahlen durch eine Lamellenblende gerichtet und durch eine
Zylinderlinse auf das zu erkennende Objekt gebündelt werden. In dem Aufnahmesystem
wird durch Kontrasteinstellung ein scharfes Schwarzweißbild des
jeweils beleuchteten Streifens erzeugt und analysiert. Ein Reflektor
kann für
eine höhere Lichtausbeute
hinter der Lichtquelle angebracht werden. Die Objekte werden unter
spitzem Winkel beleuchtet und die Kamera befindet sich senkrecht
darüber.
Menge und Art von Teilen können
je nach Auflösungsvermögen der
Kamera bestimmt werden. Zur Begrenzung des Betrachtungsraums ist
ein fester Hintergrund erforderlich. Weiterhin ist aus der
DE 298 13 109 U1 eine
Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines langen, schmalen Lichtbandes
mit zweidimensionaler Ausprägung
bekannt, bei der das Licht einer Anzahl von Lampen in einem engen
Gehäuse
mit einer ersten jeweils eigenen und einer zweiten gemeinsamen Linse
zu einem schmalen Strahl mit Fokus auf einer Linie wählbarer
Entfernung erzeugt wird. Die Lichtausbeute entspricht etwa dem Abstrahlwinkel
und ist damit sehr gering. In der
DE 197 36 172 B4 wird eine Vorrichtung zur
Analyse von in einem strömenden
Fluid dispergierten Teilchen beschrieben, die mit Blenden arbeitet,
deren Kanten hyperbelartig gekrümmt
sind und damit ein dreidimensionales Messvolumen mit einem bekannten
Schärfentiefenbereich
definieren, das kegelstumpfartig mit gebogenen Kanten ausgebildet
ist. Im zugehörigen
Verfahren werden Teilchen mit definierter Laufzeit im Messvolumen
ausgewertet. Die Form des optisch abgegrenzten Messvolumens erlaubt
es, Teilchen unterschiedlicher Geschwindigkeit bei konstant vorgegebener
Laufzeit im Messvolumen zu berücksichtigen,
wobei durch die definierte Tiefenschärfe ein dreidimensionales Messvolumen
vom Detektor erfasst wird. Es werden bevorzugt Teilchen mit Größen im Bereich
von Mikrometern betrachtet. Die Beleuchtungseinrichtung ist parallel
zum Detektor angeordnet, das Detektionssignal wird über ein
Prisma aus dem Messvolumen umgelenkt.
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Die
Veröffentlichung
IV „Particle
size distribution analysis by scattered light measurements using ein
optically defined measuring volume" (H. Umhauer, J.AerosoLSci. Vol. 14,
No.6, 1983, pp 765–770), von
der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik
ausgeht, beschreibt einen Partikelzähler für strömende Fluide nach dem Prinzip der
Streulichtmessung an den Partikeln, wobei insbesondere das Randzonenproblem
gelöst
werden soll, das durch Teilchen entsteht, die nur teilweise am Rand
des Messvolumens erfasst und demzufolge durch das reduzierte Streulicht
als zu klein gemessen werden. Es sollen Teilchenverteilungen von
Feststoffen in Gasen oder Flüssigkeiten,
aber auch von Flüssigkeitströpfchen in
Gasen und anderen Flüssigkeiten
bei sehr kleinen Abmessungen im Mikrometerbereich durch Partikelvereinzelung
und deren serielle Erfassung festgestellt werden. Dazu weist der
Partikelzähler
eine Beleuchtungseinrichtung aus einer punktförmigen Lichtquelle, ein Blenden-
und Linsensystem mit kreisrunden Abmessungen zur optischen Definition
eines dreidimensionalen Messvolumens mit würfelförmigen Abmessungen in einem
Strömungskanal
auf. Dabei liegt der Fokus der Lichtquelle in der Mitte des Messvolumens,
Ziel dieser Fokuslage ist die erforderliche Vereinzelung der Partikel
zur besseren Streulichtdetektion, was aber insbesondere bei kleinsten
Partikeln nicht sicher gewährleistet
ist. Die Detektion erfolgt in einer optischen Auswerteeinheit mit
weiteren Blenden und Linsen und einem Aufnahmesystem, wobei die
Auswerteeinheit in Form eines Photomultikanalverstärkers parallel
zur Beleuchtungseinrichtung ausgerichtet ist, sodass sich eine räumlich kompakte
Bauform ergibt, und das optische strömenden Fluid in Echtzeit alle
in einem vorgegebenen Messvolumen auftretenden Partikel zuverlässig und
genau detektiert. Dabei soll die Vorrichtung einfach und robust
im Aufbau und in der Handhabung auch unter widrigen Umweltbedingungen
gestaltet sein und einen flexiblen Einsatz ermöglichen. Die erfindungsgemäße Lösung für diese
Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Unteransprüchen
aufgezeigt und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung
näher erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Lichtquelle verwendet
wird und das optisch festgelegte Messvolumen auch in der Tiefe eng
begrenzt ist und als dreidimensionale Lichtscheibe ausgebildet ist,
deren Dicke durch rechteckige Aperturblenden und Stablinsen festgelegt
ist. Diese sind achsenkongruent zu der linearen Reflektorleuchte
angeordnet, sodass ihre Längsachsen
parallel verlaufen. Die Fokuslinie der Stablinsen liegt vor dem
Messvolumen. Die Fokussierung erfolgt gezielt außerhalb des Messvolumens, wodurch
eine gleichmäßige Ausleuchtung
des Messvolumens ohne Lichtkonvergenz oder -divergenz erreicht wird.
Wenn die Fokuslinie beispielsweise ca. 30 cm vom Objektiv einer
Videokamera als Aufnahmesystem eingestellt ist, sollte ein Streifen
von ca. 0,5 cm vor und hinter der vom Aufnahmesystem am schärfsten erfassten
Ebene der Lichtscheibe ausgeleuchtet sein, sodass die Lichtscheibe
insgesamt eine Dicke von ca. 1 cm aufweisen. Scheibendicken zwischen
0,5 cm und 3 cm sind denkbar. die Dickenwahl hängt dabei auch von der Art
der zu detektierenden Partikel ab. Die Aufweitung des Strahlengangs nach
vorne ist dabei nahezu vernachlässigbar
bzw. kann rechnerisch gut erfasst werden. Die Bestimmung des aufgenommenen
Messvolumens ist von essenzieller Bedeutung, um eine Konzentrationsangabe
auf den gemessenen Wasserkörper
bezüglich der
Abundanz und Diversität
der Plankter im entsprechenden Gebiet zu liefern. Die Stablinsen
können
bevorzugt als plankonvexe oder als konkav-konvexe Stablinsen (oder
auch Zylinderlinsen), insbesondere mit einer asphärischen
Ausbildung der Linsenkrümmung,
ausgeführt
sein, um eine optimale lineare Fokussierung ausgeleuchtet sein,
sodass die Lichtscheibe insgesamt eine Dicke von ca. 1 cm aufweisen.
Scheibendicken zwischen 0,5 cm und 3 cm sind denkbar. die Dickenwahl
hängt dabei
auch von der Art der zu detektierenden Partikel ab. Die Aufweitung des
Strahlengangs nach vorne ist dabei nahezu vernachlässigbar
bzw. kann rechnerisch gut erfasst werden. Die Bestimmung des aufgenommenen
Messvolumens ist von essenzieller Bedeutung, um eine Konzentrationsangabe
auf den gemessenen Wasserkörper
bezüglich
der Abundanz und Diversität
der Plankter im entsprechenden Gebiet zu liefern. Die Stablinsen
können
bevorzugt als plankonvexe oder als konkav-konvexe Stablinsen (oder
auch Zylinderlinsen), insbesondere mit einer asphärischen
Ausbildung der Linsenkrümmung,
ausgeführt
sein, um eine optimale lineare Fokussierung der von der linearen
Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen, die sich in der einen Ebene
zwar linear, in der dazu orthogonalen Ebene jedoch kreisförmig ausbreiten,
zu erreichen.
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Bei
dem Aufnahmesystem der Vorrichtung nach der Erfindung handelt es
sich um eine orthogonal zur Lichtscheibe angeordnete Videokamera,
der ein Mustererkennungssystem nachgeschaltet sein kann. Die Vorrichtung
arbeitet also mit einem bildgebenden Aufnahmesystem und verwendet
nicht das Prinzip der Streulichtmessung zur Partikeldetektion. Bei
der Verwendung einer Videokamera als Aufnahmesystem können über deren
Auflösung
nur die zwei Dimensionen der orthogonal zur Videokamera ausgerichteten
Fläche
des Messvolumens beschrieben werden. Das Bild besitzt bei einer
gleichmäßigen Ausleuchtung
und entsprechenden Lichtverhältnissen
somit eine theoretisch unendliche Tiefendimension. Durch die Vorgabe
der Lichtscheibe mit einer definierten Tiefenbegrenzung bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nunmehr auch die Tiefendimension genau festgelegt. Die Tiefe
des Fokusbereichs für
das Aufnahmesystem wird damit durch eine direkte Beleuchtung aufgelöst. Dabei
sind nur Partikel im beleuchteten Messvolumen zu sehen. Störungen von außerhalb
des Messvolumens sind minimal und können toleriert werden. Dies
stellt ein Verfahren in der Unterwassermessung dar, das in dieser
Form bislang von keinem optischen Plankton-Recorder verwendet wird.
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Somit
wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Gerät
zur Verfügung
gestellt, das beispielsweise als Video-Plankton-Rekorder (VPR) Video-
und Stillbilder von Planktern in natürlicher Umgebung in einem optisch
eng begrenzten und genau definierten Messvolumen, beispielsweise
von etwa 4 cm3 Größe, in relativ zum Gerät vorbeiströmendem Wasser
aufnehmen kann, die dann von der Auswerteeinheit zuverlässig ausgewertet
werden können. Es
sind aber auch andere Einsatzfälle
mit dem Erfordernis einer Partikeldetektion, beispielsweise in Klärbecken
oder in chemischen Kolonnen, möglich.
Die Einsatzpalette ist sehr breit gefasst. Dabei ist durch die schnelle,
hochauflösende
Bilderfassung und -speicherung mit Hilfe einer Auswertungssoftware sowohl
eine Partikelzählung
als auch eine Partikelidentifizierung, beispielsweise zum Erkennen
wichtiger Planktonarten möglich.
In Kombination mit relevanten Schiffsdaten wie Position, Geschwindigkeit und
Zeit sowie weiteren vor Ort gemessenen, insbesondere hydrographischen
Umweltparametern kann somit relativ schnell ein dreidimensionales
Bild der Planktonverteilung ermittelt werden. Somit entsteht mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein intelligentes wissenschaftliches System, das weltweit bei Forschungsinstituten,
Umweltorganisationen und Umweltbehörden eingesetzt werden kann.
Durch den kompakten Aufbau der Vorrichtung als VPR kann dieser sowohl
als geschlepptes Gerät
bei Schiffseinsätzen,
aber auch als verankerbare bzw. fest montierbare Einheit für einen
stationären
Betrieb eingesetzt werden und von einem definierten Volumen der
Wassersäule
kontinuierlich Aufnahmen machen. Dabei ist der durch die verwendeten
Komponenten bedingte geringe Stromverbrauch günstig, da dadurch ein autarker
Einsatz des VPR bei stationärem
Betrieb möglich
ist. Die in der Wassersäule
enthaltenen Plankter werden als interessierende Gebiete (Region
of Interest, ROI) aus den Gesamtaufnahmen herausgeschnitten, mit
den lokalen physikalischen Parametern verbunden und durch das Mustererkennungssystem als
Teil der Auswerteeinheit klassifiziert. Entgegen der traditionellen
Planktonbeprobung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
durch einen deutlich niedrigeren Bearbeitungsaufwand der gewonnenen
Daten aus und ermöglicht
einfach zu gewinnende, hochauflösende
und großräumige Zeitserienstudien.
Durch die Möglichkeit,
Umweltsensoren wie Salinitäts-,
Tiefen-, Temperatur-, Fluoreszenz- oder Sauerstoffsonden an die
erfindungsgemäße Vorrichtung
anzuschließen,
werden mit jedem aufgenommenen Bild Umweltparameter verbunden. Dadurch
werden auch jedem planktischen Vertreter die physikalischen Parameter
seiner direkten Umgebung zugeordnet. Eine Untersuchung der Korrelation
des Auftretens mit hydrographischen Phänomenen wie Fronten, Klinen
etc., ist dadurch realisierbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
bietet damit die Möglichkeit,
Abundanz und Diversität
einzelner planktischer Organismengruppen kleinskalig zu ermitteln.
Neben der hohen räumlichen
Auflösung
der Vertikalverteilung auf der Zentimeterskala, lassen sich auch
Variabilitäten
des Zooplanktons bei entsprechender Probennahmefrequenz auf kleinen
Zeitskalen schnell quantifizieren. Die entstehenden Daten sollen
dazu beitragen, das Verständnis
von biologisch-physikalischen Zusammenhängen zu vervollständigen,
neue in-situ-Einblicke in die Ökologie
einzelner Organismen geben und einen wichtigen Beitrag zu anderen Zeitserienstudien
liefern.
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Der
VPR kann neue Möglichkeiten
in der Planktonforschung eröffnen,
die auf diese Weise von keinem anderen Plankton-Recordersystem bereitgestellt
werden. Besonderer Wert wird auf die Modularität und Skalierbarkeit gelegt,
damit einzelne Komponenten einfach zu modifizieren sind und auch
nach dem Bau noch Verfeinerungen zulassen. Allgemein kann der VPR überall dort
eingesetzt werden, wo die Bestimmung der Abundanz und Diversität von Planktern
von Interesse ist. Dabei besteht keine Beschränkung, ob es sich um Einschätzungen
für Nahrungskettenanalysen
oder annuell bedingter Aufklärung der
Variabilität,
der tageszeitlichen Vertikalwanderung, der Besiedlungssukzession
oder des Erscheinens von meroplanktischen Larven handelt. In allen Fällen lässt sich
das Auftreten mit den physikalischen Parametern festhalten. Eine
Erhöhung
der Druckstabilität
weit jenseits der 100 bar Grenze eröffnet zudem die Möglichkeit
neben der neritischen auch weit in die Tiefen der ozeanischen Provinz
vorzudringen, die bisher überwiegend
durch klassische Methoden beprobt wurde und somit völliges Neuland
für VPR-Systeme
darstellt. Im Fall des Einsatzes in einer Verankerung lässt sich
in nahezu Echtzeit eine kontinuierliche Beprobung durchführen, die
ohne weiteren Aufwand möglich
ist. Nach der Installation und der Sicherstellung der Energieversorgung,
sowie der Datenübertragung
ließen
sich eine Vielzahl von Fragestellungen mit diesem VPR bearbeiten,
ohne dass aufwändige
Beprobungen mit Schiffen, Netzen und einer Vielzahl von Personen
wetterabhängig
durchgeführt
werden müssen.
Fragestellungen zu meroplanktischen Larven können durch die kleinskalige Planktonbetrachtung
im Wasserkörper
detaillierter bearbeitet werden.
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Da
jeweils auf ein sehr geringes Messvolumen fokussiert wird, ist es
von entscheidender Bedeutung, eine hohe Anzahl von Videoaufnahmen
in einem kurzen Zeitraum zu machen. Bei einem Messvolumen von z.B.
10 × 10 × 10 mm
werden 1000 Bilder benötigt,
bis ein Wasservolumen von einem Liter äquivalent beprobt ist. Bei
einer hypothetischen Frequenz von 24 Bildern pro Sekunde vergehen
dabei etwa 42 s. Zwischen zwei Bildern muss gewährleistet sein, dass das Messvolumen
zu 100 % ausgetauscht wird. Ist dies nicht der Fall, besteht die
Möglichkeit, dass
ein Plankter auf zwei Bildern erscheint und die Statistik verfälscht. Von
höherer
Bedeutung als im Schelfbereich kann dies im offenen Ozean sein,
wo die durchschnittliche Abundanz einzelner Arten äußerst gering
ist. Dementsprechend muss die relative Wegstrecke zwischen zwei
Bildern mindestens der Diagonale (Maximalwert bei Anströmung parallel
zur Beleuchtung) des aufgenommenen Bildes der Kamera entsprechen.
Im genannten Beispiel 14,1 mm. Bei 24 Bildern pro s entsprechend
339,4 mm/s = 0,3394 m/s = 1,222 km/h = 0,65 Kn. Die Geschwindigkeit
von 0,65 Knoten lässt
sich im Operationsmodus an Bord eines Schiffes relativ sicher bereitstellen.
Für ortsfeste
Verankerungen (Moorings) muss jedoch darauf geachtet werden, dass
diese Anströmgeschwindigkeit
auch gewährleistet
ist.
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Die
einzelnen Plankter, die in die Lichtscheibe und gleichzeitig in
das Sichtfeld der Videokamera eintreten, werden von einer CCD-Videokamera
in einem normalen Aufnahmezyklus erfasst. Um Bewegungsartefakte
klein zu halten, benötigt
die Videokamera eine sehr kurze Belichtungszeit sowie eine Triggerung
mit einem Shutter bei Stroboskopeinsatz. Vor die Videokamera wird
mit Hilfe von Extenderringen ein Tele- bzw. Makroobjektiv gesetzt,
welches eine Auflösung
von etwa 10 μm
pro Pixel gewährleistet. Die
Qualität
der Bilder wird von weiteren Parametern wie Schwebstoffen und ähnlichem
beeinflusst. Um die Aussagequalität über den Bezug zur räumlichen Skala
hoch zu halten, muss die Videokamera über eine hohe Auflösung (z.B.
2000×2000
Pixel entsprechend 20×20
mm) verfügen.
Ein Plankter von 2×1,5 mm
würde bei
8 Bit Farbtiefe entsprechend 200 × 150 × 8 ≈ 30 kBit reine Bildinformation
unkomprimiert liefern. Die Vergrößerungsstufe
soll möglichst
konstant sein, um der Auswertung immer die gleichen Parameter zu
bieten. Die Genauigkeit der Abundanzberechnungen steigt mit dem
beprobten Volumen pro Zeit und damit auch durch eine höhere Auflösung, welche
bei gleichem μm/Pixel-Wert
das gescannte Volumen pro Bild erhöht.
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Ein
Auswertungsmodul stellt die ROI-Extraktion und die Verknüpfung mit
den Parametern sicher und kann auf einem Rechner in der Unterwassereinheit
stattfinden. Die Daten können
dann z.B. online via Internet oder LAN an einen weiteren Rechner
im Netz oder an Bord gesendet werden, der die Auswertung, möglichst
in Echtzeit, vornimmt. Es wird erwartet, dass auf ca. jedem zweiten
bis achten Bild Organismen und Partikel auftreten. Augenmerk muss
auf die Tatsache gelegt werden, dass einzelne Strukturen nicht immer
zusammenhängend
erscheinen können
(siehe unten). In einzelnen Bereichen kann sich die Anzahl der ROI's pro Aufnahme jedoch
stark erhöhen.
Die ROI's werden
zusammen mit den Metadaten, wie Cruisename, Datum, Zeit, Breitengrad, Längengrad
und den physikalischen Parametern, wie CTD Daten und Wasservolumen
gespeichert. Für den
Fall, dass die Energieversorgung unerwartet unterbrochen wird, muss
sichergestellt sein, dass die bisher erhobenen Daten erhalten bleiben.
Aus dem gleichen Grund ist in diesem, wie in allen anderen Folgemodulen,
eine hohe Systemstabilität
zu gewährleisten.
Die Bilder müssen
unverändert
gespeichert werden, damit eine spätere Auswertung von weiteren
Faktoren, wie Ausrichtung der Organismen (z.B. von Überwinterungsstadien
an Klinen) und ähnlichem
möglich
ist.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
im Folgenden kurz VPR genannt, können
zwei rechteckige Aperturblenden vorgesehen sein, wobei die zweite
rechteckige Aperturblende schmaler ausgebildet ist als die erste
rechteckige Aperturblende und die Fokuslinie zwischen beiden rechteckigen
Aperturblenden liegt. Die rechteckigen Blenden sorgen zusammen mit
den Stablinsen für
die rechteckige Ausprägung
der Lichtscheibe. Durch die in Richtung auf das Messvolumen kleiner werdenden
rechteckigen Aperturblenden wird eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke in Richtung
auf das Messvolumen im Sinne einer Aufkonzentrierung erreicht. Eine
im Bereich der Fokuslinie achsenkongruent dazu angeordnete rechteckige
Gesichtsfeldblende sorgt für
eine sichere Ausblendung von Streulicht im außerhalb des beleuchteten Messvolumens liegenden
Teil des Wasserkörpers
und damit für
eine verbesserte Videodetektion der Partikel. Zur Erreichung einer
besonderen Kompaktheit der VPR kann weiterhin das Aufnahmesystem
parallel zur Beleuchtungseinrichtung ausgerichtet sein, wobei die
Lichtscheibe dann über
eine 90°-Strahlumlenkung
rechtwinklig umgelenkt wird, um zu gewährleisten, dass die Aufnahmerichtung
der Videokamera orthogonal auf der Lichtscheibe steht. Für andere
Anwendungen können
andere Umlenkwinkel, mehrere Umlenkungen oder auch eine Ausführung ohne
Umlenkung in Betracht kommen. Wichtig dabei ist lediglich, dass die
Aufnahmeachse senkrecht zur Lichtscheibe ausgerichtet ist.
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Zur
optimalen Ausleuchtung der Lichtscheibe ist es weiterhin vorteilhaft,
wenn die lineare Lichtquelle einen Abstrahlwinkel von unter 70° und eine maximale
Lichtleistung aufweist. Dies kann erreicht werden, wenn die lineare
Lichtquelle als Reflektorleuchte ausgebildet ist, die einen kombinierten
Reflektor aus einem elliptisch ausgedehnten und einem sphärisch ausgedehnten
Spiegel mit einer zentralen Apertur und ein in der Brennlinie des
Reflektors angeordnetes, lineares Leuchtmittel aufweist. Hierbei kann
es sich beispielsweise um eine starke Blitz-/Halogen-/Xenonlampe
oder ein High-Efficiency-LED-Feld, insbesondere in der Ausgestaltung
als Reihe aus mehreren benachbarten Leuchtdioden handeln. Hierbei
kann der Reflektor den einzelnen Leuchtdioden zugeordnete Reflektorbereiche
aufweisen. Durch die Verwendung mehrerer in einer Linie stehender
Leuchtdioden in der Fokuslinie der ersten Stablinse wird eine höhere Gesamtlichtausbeute
erreicht, weil nicht wie bei sphärischen
Linsen aus beiden Raumrichtungen punktförmig auf einen Brennpunkt fokussiert
wird, sondern nur aus einer Richtung. Dadurch wird jeder Punkt innerhalb
der Lichtscheibe (bis auf die Randbereiche) von mehreren benachbarten
Leuchtdioden angestrahlt. Vorteilhaft ist hierbei, dass Partikel,
welche in der Lichtscheibe angestrahlt werden, nur einen verminderten
Schattenwurf aufweisen und somit die Detektion nicht verfälschen.
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Die
Lichtstrahlen werden über
den optischen Apertur- und Blendenaufbau zusammengefasst, gerichtet,
umgelenkt und als Lichtband parallel zur Schlepp- bzw. Fierrichtung
ins Wasser projiziert. Die erste Blende bestimmt dabei die Breite
der Lichtscheibe. Ein Vorteil dieser Beleuchtungsmethode besteht
darin, dass nicht der gesamte Wasserkörper angestrahlt und somit Hintergrundrauschen
während der
Aufnahme vermindert wird. Über
die Einstellung der Blenden (0,5–3,0 cm) kann die Breite der
Lichtscheibe variiert werden, auf die die Videokamera im rechten
Winkel gerichtet ist. Über
die Kontrast- und Blendeneinstellungen lassen sich somit Organismen, die
vor oder hinter dem beleuchteten Messvolumen liegen, weitestgehend
ausblenden. Über
den horizontal und vertikal in der Fläche erfassten Ausschnitt der
Videokamera und der Dicke der Lichtscheibe als Tiefenbegrenzung
kann das dabei aufgenommene Wasservolumen bestimmt werden.
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Eine
andere Modifikation des VPR sieht vor, dass zumindest die Lichtquelle
und die Videokamera in einem druckfesten und strömungsgünstig geformten Gehäuse angeordnet
sind. Weiterhin können auch
die rechteckigen Aperturblenden, die rechteckige Gesichtsfeldblende
und die Stablinsen in dem Gehäuse
angeordnet sein, wobei dieses auf seiner Innenseite eine Verspiegelung
aufweist. Eine angestrebte flache Bauform des VPR ermöglicht es
dabei, das Gehäuse
möglichst
strömungsgünstig gestalten zu
können.
Bei dem VPR handelt es sich daher um ein Gerät, welches durch seine Gestaltung
einen geringen Staudruck aufbaut. Dadurch wird verhindert, dass
kleine Plankter um den Probennahmeort herumgeschwemmt werden und
der Auswertung entgehen. Auf der anderen Seite wird die Anzahl wenig
abundanter Arten durch die Methode der Probennahme teilweise unterschätzt oder
sie werden gar nicht erfasst. Um diesem vorzubeugen, muss eine hohe
Beprobungsrate erreicht werden wie auch eine exakte Bestimmung des
Messvolumens. Es muss im Moment der Aufnahme so ungestört wie möglich vorliegen.
Der VPR muss in Schlepp- oder Fierrichtung so ausgerichtet werden,
dass Verwirbelungen und Staudruck so niedrig wie möglich gehalten
werden. Schließlich
müssen
die einzelnen Umweltsonden in der Nähe des Fokusbereichs der Videokamera
liegen, bzw. auf der gleichen horizontalen Ebene. Durch die Verspiegelung
auf der Gehäuseinnenseite
kann auch Licht außerhalb
der zentralen Achse durch Mehrfachreflexion eingefangen und auf
das Messvolumen gerichtet werden, sodass sich eine Intensitätserhöhung des
Lichts ergibt. Schließlich
können
in einer weiteren Modifikation die lineare Reflektorleuchte, die
rechteckigen Aperturblenden, die rechteckige Gesichtsfeldblende
und die Stablinsen über
die vier Seitenkanten eines Quaders bildende Gewindestangen miteinander
verbunden und zueinander einstellbar angeordnet sein. Dadurch ergibt
sich eine kompakte Bauform mit einer guten Stabilisierung durch die
Gewindestangen, die gleichzeitig der parallelen Verstellung und
Fixierung der einzelnen Blenden und Stablinsen dienen. Weitere konstruktive
Einzelheiten der Vorrichtung nach der Erfindung sind dem nachfolgenden
speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
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Ausführungsbeispiele
-
Ausführungsformen
der Vorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend zu deren weiterem
Verständnis
anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine
Ausführungsform
als VPR in der Seitenansicht im Längsschnitt,
-
2 eine
Ausführungsform
als VPR in der Aufsicht mit einer Verspiegelung,
-
3 eine
Ausführungsform
als VPR in der perspektivischen Seitenansicht ohne Gehäuse und
-
4 die
Beleuchtungseinrichtung mit einer linearen Reflektorleuchte in der
Draufsicht.
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In 1 ist
die Vorrichtung in der Ausführungsform
eines Video-Plankton-Rekorders
VPR dargestellt, bei dem eine Beleuchtungseinrichtung BE und eine
Auswerteeinheit AW in einem druckfesten Gehäuse DG mit zwei druckdicht
in die Gehäusewandung
eingepassten Fenstern FE1, FE2 angeordnet sind. Ein solcher Video-Plankton
Rekorder kann auch englisch als „Lightframe On-Sight Keyspecies Investigation" mit dem Akronym „LOKI" treffend bezeichnet
werden. Die optische Beleuchtungseinrichtung BE hinter dem Fenster
FE1 umfasst eine lineare Lichtquelle LQ und zwei Stablinsen SL1,
SL2 eines fokussierenden Linsensystems LN. Dabei sind die Stablinsen
SL1, SL2 im gewählten
Ausführungsbeispiel
plankonvex mit einer asphärischen
Linsenkrümmung
ausgebildet. Zu der Auswerteeinheit AW hinter dem Fenster FE2 gehört eine
Videokamera VK als Aufnahmesystem AS und weitere Blenden und Linsen
sowie Mittel zur Datenverarbeitung, beispielsweise ein Mustererkennungssystem,
und -speicherung, die aber in 1 nicht
weiter dargestellt sind. Bei den eingesetzten Stablinsen SL1, SL2
handelt es sich um kommerziell erhältliche Komponenten. Die Brennweiten
sind dabei mit 8 cm und 6 cm im Ausführungsbeispiel hoch gewählt, um
flache Winkel gegenüber
der optischen Achse des Video-Plankton-Rekorders VPR zu gewährleisten,
was Abbildungsfehler reduziert. Geeignet sind Stablinsen aus Glas
mit höherem Brechungsindex
(Glassorte SF6). Die Option, die Stablinse SL1 mit mehr als 3 cm
Höhe zu
verwenden, scheidet aus, da gleichzeitig die Fokuslinie FL weiter von
der Stablinse SL1 wegrückt,
weil diese mit einer benötigten
höheren
Rundung der konvexen Seite physikalischen Begrenzungen gemäß der Formel: Zylinderradius
= Brennweite × (Brechungsindex – 1) unterliegt.
Zudem würde
dadurch der Winkel zwischen der Senkrechten auf der planen Linsenseite und
der Abweichung des Lichtstrahls LT von der optischen Achse im Randbereich
zu groß,
wodurch ebenfalls die Lichtintensität verringert werden würde.
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Der
Video-Plankton-Rekorder VPR erzeugt zur Partikeldetektion in einem
strömenden
Fluid ein optisch begrenztes Messvolumen MV, das als dünne, tiefenbegrenzte
Lichtscheibe LS ausgebildet ist. Das Messvolumen MV wird vom Wasser
frei durchströmt, die
Strömungsrichtung
verläuft
senkrecht zur Zeichenebene, sodass sich das Messvolumen MV kontinuierlich
füllt und
entleert und immer neue Wasservolumina detektiert werden können. Das
druckfeste Gehäuse
DG kann in Strömungsrichtung
strömungsgünstig geformt
vorgesehen sein, sodass bei der Anströmung durch das Wasser keine
die Detektionsergebnisse störenden
Wirbel entstehen. Die Lichtscheibe LS wird von der Lichtquelle LQ
erzeugt, deren Lichtstrahl LT mittels der ersten Stablinse SL1 parallelisiert
und mittels der zweiten Stablinse SL2 auf eine Fokuslinie FL fokussiert
wird. Dabei liegt die aufgrund der verwendeten linearen Lichtquelle
LQ linear ausgeprägte
Fokuslinie FL außerhalb
des druckfesten Gehäuses
DG und vor der Lichtscheibe LS. Die Breite B1 des Lichtstrahls LT
wird durch eine erste rechteckige Aperturblende AB1 im druckfesten
Gehäuse
DG eingestellt, die zwischen den beiden Stablinsen SL1, SL2 angeordnet
ist. Hinter der Fokuslinie FL wird der fokussierte Lichtstrahl LT
durch eine dritte Stablinse SL3, die im gewählten Ausführungsbeispiel ebenfalls plankonvex
mit einer asphärischen
Linsenkrümmung
ausgebildet ist, außerhalb
des druckfesten Gehäuses
DG wieder parallelisiert. Gleichzeitig erfolgt durch eine zweite
rechteckige Aperturblende AB2 hinter der Fokuslinie FL außerhalb
des druckfesten Gehäuses
DG, die schmaler ist als die erste rechteckige Aperturblende AB1,
eine Intensitätskonzentrierung
des Lichtstrahls LT durch eine Verschmälerung des Lichtstrahls LT
auf eine Breite B2, durch die dann die Dicke d der Lichtscheibe
LS als Tiefenbegrenzung des Messvolumens MV festgelegt ist. Im Bereich
der Fokuslinie FL ist achsenkongruent eine rechteckige Gesichtsfeldblende
GB zur Verminderung von Streulicht angeordnet. Hinter der zweiten rechteckigen
Aperturblende AB2 ist ein Umlenkspiegel US angeordnet, der den aufkonzentrierten
Lichtstrahl um rechtwinklig umlenkt. Damit gelangt der Lichtstrahl
in den Aufnahmelichtstrahl AF der Videokamera VK, der durch eine
weitere Blende WB begrenzt wird und senkrecht auf dem Lichtstrahl
LT steht, sodass die Breite B2 des Lichtstrahls LT nunmehr der Dicke
d der Lichtscheibe LS entspricht. Alle genannten Komponenten sind
auf Gewindestangen GS verschiebbar angeordnet. dadurch können sie
in ihrem Abstand zueinander eingestellt und anschließend fixiert
werden. Die beschriebene Anordnung und Ausstattung des dargestellten
Video-Plankton-Rekorder VPR mit Linsen und Blenden ist nur beispielhaft
und kann erforderlichenfalls auch anders aussehen.
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Die 2 zeigt
in der Draufsicht einen Video-Plankton-Rekorder VPR, bei dem alle
Komponenten in einem druckfesten Gehäuse DG angeordnet sind (hier
nicht erläuterte
Bezugszeichen siehe 1). Zur Erhöhung der Lichtausbeute ist
in dieser Ausführungsvariante
auf der Innenseite des druckfesten Gehäuses DG eine Verspiegelung
VS vorgesehen. Eingezeichnet ist ein exemplarischer Strahlengang
entlang der optischen Achse des Systems.
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In
der 3 ist eine perspektivische Seitenansicht des Video-Plankton-Rekorders VPR ohne druckfestes
Gehäuse
DG dargestellt. Die lineare Lichtquelle LQ besteht aus einer Reihe
von einzelnen Leuchtdioden LED, die von einem gemeinsamen rechteckigen
Reflektor RF umgeben sind. Leuchtdioden LED sind kommerziell am
Markt einfach erhältlich – auch mit
einem Abstrahlwinkel von 70° oder weniger – leuchtstark
und langlebig (3 W–5
W, 100.000 Betriebsstunden). Dabei weist der Reflektor RF den einzelnen
Leuchtdioden LED zugeordnete Reflektorbereiche RB auf. Diese Reflektorbereiche RB
können
eine Ausprägung
aufweisen, wie sie in 4 näher erläutert wird. An den vier Ecken
des Reflektors RF ist jeweils eine Gewindestange GS vorgesehen.
Zwischen den vier Gewindestangen GS werden die optischen Komponenten
des Video-Plankton-Rekorders VPR gelagert und fixiert (hier nicht
erläuterte
Bezugszeichen siehe 1). Dabei sind die Tragrahmen
TR für
die Komponenten mit einer Ausnahme alle gleich ausgeführt. Die
Ausnahme bildet der Tragrahmen TR für den Umlenkspiegel US, dem
ein Längsrahmenabschnitt
fehlt. Der vorhandene Längsrahmenabschnitt LA
weist eine 45°-Schräge auf,
in die der Umlenkspiegel US, der größer als der Tragrahmen TR ist,
einlegbar ist.
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In
der 4 ist eine lineare Lichtquelle LQ als lineare
Reflektorleuchte RL mit einem kombinierten Reflektor KR mit zentraler
Apertur ZA dargestellt. Der kombinierten Reflektor KR weist einen
elliptischen Spiegel SE in Form eines ausgedehnten Rotationsellipsoids
RE und einen sphärischen
Spiegel SS in Form einer ausgedehnten Kugelschale KS auf. Die lineare
Lichtquelle LQ ist in der ersten Brennlinie BL1 des elliptischen
Spiegels SE angeordnet. Der sphärische
Spiegel SS ist mit seiner Mittellinie ebenfalls in der ersten Brennlinie
BL1 des elliptischen Spiegels SE angeordnet, seine zentrale Apertur
ZA befindet sich genau in der zweiten Brennlinie BL2 des elliptischen
Spiegels SE. Die Lichtausbeute derartiger kombinierter Reflektoren
KR ist besonders hoch, da alle Lichtstrahlen, die nicht direkt durch
die zentrale Apertur ZA austreten, von dem sphärischen Spiegel S2 auf den
elliptischen Spiegel SE zurückgeworfen und
von da aus zur zentralen Apertur ZA reflektiert werden. Lediglich
in den Randbereichen eines linear ausgedehnten kombinierten Reflektors
KR treten Verluste auf.
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- AB
- rechteckige
Aperturblende
- AF
- Aufnahmelichtstrahl
- AS
- Aufnahmesystem
- AW
- Auswerteeinheit
- B
- Breite
des Lichtstrahls
- BE
- Beleuchtungseinrichtung
- BL
- Brennlinie
- d
- Dicke
der Lichtscheibe
- DG
- druckfestes
Gehäuse
- FE
- Fenster
- FL
- Fokuslinie
- GB
- rechteckige
Gesichtsfeldblende
- GS
- Gewindestange
- KR
- kombinierter
Reflektor
- KS
- Kugelschale
- LA
- Längsrahmenabschnitt
- LED
- Leuchtdiode
- LN
- Linsensystem
- LQ
- lineare
Lichtquelle
- LS
- Lichtscheibe
- LT
- Lichtstrahl
- MV
- optisch
begrenztes Messvolumen
- RB
- Reflektorbereich
- RE
- Rotationsellipsoid
- RF
- rechteckiger
Reflektor
- RL
- Reflektorleuchte
- SE
- elliptischer
Spiegel
- SL
- Stablinse
- SS
- sphärischer
Spiegel
- TR
- Tragrahmen
- US
- Umlenkspiegel
- VK
- Videokamera
- VPR
- Video-Plankton-Rekorder
- VS
- Verspiegelung
- WB
- weitere
Blende
- ZA
- zentrale
Apertur