一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统

摘要

本发明涉及一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，包括控制与监视系统；3D河床模拟系统，与控制与监视系统相连；相对比重模拟系统，与控制与监视系统相连；紊动模拟系统，与控制与监视系统相连；可视化监测系统，与控制与监视系统相连。本发明公开的一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统具有以下有益效果：1可进行河床地形塑造，模拟自然条件下鱼卵运动的地形环境。2、紊动模拟系统有效模拟高强度紊动作用下的鱼卵运动特性。3、相对比重模拟系统，能精确模拟特定鱼类鱼卵在水中的相对比重。4、具有集可滑移背光源系统、高速运动捕捉系统和流场监测系统为一体的可视化监测系统，可有效采集鱼卵运动的流场数据和运动轨迹数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，属于生态水力学试验领域，尤其适用于鱼卵运动水力学特性研究、水库调度对鱼类影响研究、鱼类早期资源估算研究等领域。

背景技术

鱼卵和不具备主动游泳能力的仔鱼，在水体中受自身重力、浮力、惯性力、水流阻力、水流紊动等共同作用下随流运动。鱼卵在天然河道中的运动特性和运动规律，将显著影响鱼卵的输移、孵化和资源补充。因此，认识和理解鱼卵运动特性和规律对鱼类资源保护、产卵场修复、生态调度效果评价等工作至关重要。

然而，在生态水力学领域，鱼卵运动规律研究还处于初步阶段。目前，关于鱼卵运动的机理性试验和水动力特性研究只见零星报道【唐明英,黄德林,黄立章,等.草、青、鲢、鳙鱼卵水力学特性试验及其在三峡库区孵化条件初步预测.水利渔业,1989,4:26-30；罗佳,石小涛,刘德富,等.两种鲟鱼卵在均匀流场中的漂移特性研究.水生生物学报,2013,37(5):978-981】，尚未形成一套较为系统的模拟多种驱动条件下引起的鱼卵运动，以及可视化监测鱼卵运动的装置和系统。现有鱼卵运动试验多应用传统水力学水槽，研究不同流速作用下的鱼卵运动特性，存在以下缺陷：

1、只能进行流速这一单一因素作用下的鱼卵运动特性研究，不能进行流速与复杂河床地形相互作用下的鱼卵运动特性研究。

2、自然界中，鱼卵的悬浮运动有时是由高强度紊动引起，而非水流平均流动引起，传统试验水槽不具备模拟这种特殊水流环境下的鱼卵运动。

3、鱼卵比重与水接近，但比水稍重，鱼卵与水的相对比重决定了鱼卵的运动特性，当真实鱼卵难以获取或数量极其有限时(尤其是珍稀保护鱼类，如中华鲟鱼卵)，需应用模型鱼卵材料进行鱼卵运动试验，但模型鱼卵材料的相对比重难以精确控制，且不同鱼类鱼卵的相对比重不同，订制特定比重的模型鱼卵材料费时费工、成本高昂，而现有试验条件也不具备模拟鱼卵相对比重的装置和系统。

4、鱼卵运动为大量颗粒群体运动，且真实鱼卵多为透明或半透明球状，即便进行染色处理，也不能达到与背景布幕的强烈对比度，常规的面光源和背景布幕布置，不足以满足鱼卵运动视频采集的需要，导致采集的每帧图像中鱼卵颗粒模糊、鱼卵轨迹识别不准确等问题，且现有视频采集系统，图像畸变校正、尺寸标定等操作复杂。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统。

技术方案：一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，包括

控制与监视系统，

3D河床模拟系统，与控制与监视系统相连；

相对比重模拟系统，与控制与监视系统相连；

紊动模拟系统，与控制与监视系统相连；

可视化监测系统，与控制与监视系统相连。

进一步地，控制与监视系统包括用户智能控制界面、可视化流场监测窗口、可视化鱼卵运动监测窗口和故障警告窗口。

进一步地，3D河床模拟系统包括纵向滑轨平台、横向移动平台、刚性自动升降泵送管、河床塑形喷嘴、柔性泵送管、变频沙料输送泵、刚性泵送管和储料罐；

所述储料罐与所述变频沙料输送泵的进料口通过刚性泵送管相连；

所述变频沙料输送泵的出料口与所述柔性泵送管的一端相连；

所述柔性泵送管的另一端与刚性自动升降泵送管的一端相连；

所述刚性自动升降泵送管的另一端与河床塑形喷嘴相连；

所述横向移动平台架设于所述纵向滑轨平台上，所述横向移动平台包括横向轨道，所述横向轨道上布设有自动移动设备夹架，所述刚性自动升降泵送管与所述自动移动设备夹架卡接。

进一步地，所述相对比重模拟系统包括比重模拟平台支架、电导率仪、NACL存储仓、沙漏式漏嘴和漏嘴电磁阀门；

所述比重模拟平台支架的底部设有电导率仪；

所述NACL存储仓固设于所述比重模拟平台支架上，所述NACL存储仓的底部设有沙漏式漏嘴，在所述沙漏式漏嘴的中部设有漏嘴电磁阀门。

进一步地，紊动模拟系统包括变频步进电机、L型联动杆和紊动发生格栅，

所述变频步进电机布设在所述纵向滑轨平台上；

所述变频步进电机的传动杆与所述L型联动杆的一端固定连接；

所述L型联动杆的另一端与所述紊动发生格栅固定连接。

更进一步地，所述紊动发生格栅为一体成型的钢板栅格，钢板厚度为3～5mm，钢板栅格的开口面积与钢板栅格总面积之比为60％～80％。

进一步地，所述可视化监测系统包括可滑移背光源系统、高速运动捕捉系统和流场监测系统；

所述可滑移背光源系统包括侧面可滑移背光源LED屏和底部可滑移背光源LED屏，侧面可滑移背光源LED屏安装于水槽侧面的纵向滑轨上，底部可滑移背光源LED屏安装于水槽底部的纵向滑轨上；

所述高速运动捕捉系统包括多台侧面同步采集的高速摄像机和多台顶部同步采集的高速摄像机，侧面同步采集的高速摄像机和顶部同步采集的高速摄像机的台数保持一致，多台侧面同步采集的高速摄像机设于侧面，多台顶部同步采集的高速摄像机设于顶面；

所述流场监测系统包括自动升降杆、ADV流速测量仪、数显水位测针；

所述横向移动平台布设有两个自动升降杆，一个自动升降杆的底部布设有ADV流速测量仪，另一个自动升降杆的底部布设有数显水位测针。

进一步地，水槽上/下游分别设有上游止水闸门和下游止水闸门。

有益效果：本发明公开的一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统具有以下有益效果：

1、本发明具有3D河床模拟系统，可方便快捷地进行河床地形塑造，可根据需要塑造沙波、浅滩-深潭等复杂河床地形，有效模拟自然条件下鱼卵运动的地形环境。

2、本发明具有紊动模拟系统，可将紊动作用从其他复杂影响因素中剥离出来，有效模拟高强度紊动作用下的鱼卵运动特性，也为研究复杂因素共同作用下的鱼卵运动规律提供辅助工具。

3、本发明具有相对比重模拟系统，可在不改变模型鱼卵材料的前提下，通过调整环境水的盐度，改变鱼卵与环境水的相对比重，能精确模拟特定鱼类鱼卵在水中的相对比重。

4、本发明具有集可滑移背光源系统、高速运动捕捉系统和流场监测系统为一体的可视化监测系统，可有效采集鱼卵运动的流场数据和运动轨迹数据，可滑移背光源系统具有均匀光源功能和图像畸变校正与尺寸标定功能，优化现有运动视频采集过程中图像畸变校正和尺寸标定操作。

附图说明

图1本发明的3D河床模拟系统和相对比重模拟系统的侧视图；

图2本发明的3D河床模拟系统的立体图；

图3本发明的紊动模拟系统的侧视图；

图4本发明的可视化监测系统的侧视图；

图5本发明的可视化监测系统的俯视图；

图6本发明的紊动发生格栅的局部放大图；

图7本发明的背光源LED屏在畸变校正和尺寸标定模式下的显示情况示意图；

其中：

1-纵向滑轨平台2-横向移动平台

3-刚性自动升降泵送管4-河床塑形喷嘴

5-柔性泵送管6-变频沙料输送泵

7-刚性泵送管8-储料罐

9-横向轨道10-自动移动设备夹架

11-比重模拟平台支架 12-电导率仪

13-NACL存储仓 14-沙漏式漏嘴

15-漏嘴电磁阀门 16-变频步进电机

17-L型联动杆18-紊动发生格栅

19-侧面可滑移背光源LED屏

20-底部可滑移背光源LED屏

21-侧面同步采集的高速摄像机

22-顶部同步采集的高速摄像机

23-自动升降杆 24-ADV流速测量仪

25-数显水位测针 26-纵向滑轨

27-上游止水闸门 28-下游止水闸门

29-河床沙波地形

具体实施方式：

下面结合说明书附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

如图1-7所示，一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，包括

控制与监视系统，

3D河床模拟系统，与控制与监视系统相连；

相对比重模拟系统，与控制与监视系统相连；

紊动模拟系统，与控制与监视系统相连；

可视化监测系统，与控制与监视系统相连。

进一步地，控制与监视系统包括用户智能控制界面、可视化流场监测窗口、可视化鱼卵运动监测窗口和故障警告窗口。

进一步地，3D河床模拟系统包括纵向滑轨平台1、横向移动平台2、刚性自动升降泵送管3、河床塑形喷嘴4、柔性泵送管5、变频沙料输送泵6、刚性泵送管7和储料罐8；

储料罐8与变频沙料输送泵6的进料口通过刚性泵送管7相连；

变频沙料输送泵6的出料口与柔性泵送管5的一端相连；

柔性泵送管5的另一端与刚性自动升降泵送管3的一端相连；

刚性自动升降泵送管3的另一端与河床塑形喷嘴4相连。河床塑形喷嘴4位于水槽的内部；

横向移动平台2架设于纵向滑轨平台1上，横向移动平台2包括横向轨道9，横向轨道9上布设有自动移动设备夹架10，刚性自动升降泵送管3与自动移动设备夹架10卡接。

进一步地，相对比重模拟系统包括比重模拟平台支架11、电导率仪12、NACL存储仓13、沙漏式漏嘴14和漏嘴电磁阀门15；

比重模拟平台支架11的底部设有电导率仪12；

NACL存储仓13固设于比重模拟平台支架11上，NACL存储仓13的底部设有沙漏式漏嘴14，在沙漏式漏嘴14的中部设有漏嘴电磁阀门15。

进一步地，紊动模拟系统包括变频步进电机16、L型联动杆17和紊动发生格栅18，

变频步进电机16布设在纵向滑轨平台1上；

变频步进电机16的传动杆与L型联动杆17的一端固定连接；

L型联动杆17的另一端与紊动发生格栅18固定连接。

更进一步地，紊动发生格栅18为一体成型的钢板栅格，钢板厚度为3～5mm，钢板栅格的开口面积与钢板栅格总面积之比为60％～80％。

进一步地，可视化监测系统包括可滑移背光源系统、高速运动捕捉系统和流场监测系统；

可滑移背光源系统包括侧面可滑移背光源LED屏19和底部可滑移背光源LED屏20，侧面可滑移背光源LED屏19安装于水槽侧面的纵向滑轨26上，底部可滑移背光源LED屏20安装于水槽底部的纵向滑轨26上，背光源LED屏具有两种控制模式，一种为光源模式，一种为畸变校正和尺寸标定模式。在光源模式下，背光源LED屏呈全屏均匀白光显示，在畸变校正和尺寸标定模式下，背光源LED屏呈高分辨率几何畸变测试和尺寸标定网格图形显示(见图7)；

高速运动捕捉系统包括多台侧面同步采集的高速摄像机21和多台顶部同步采集的高速摄像机22，侧面同步采集的高速摄像机21和顶部同步采集的高速摄像机22的台数保持一致，多台侧面同步采集的高速摄像机21设于侧面，多台顶部同步采集的高速摄像机22设于顶面；

流场监测系统包括自动升降杆23、ADV流速测量仪24、数显水位测针25；

横向移动平台2布设有两个自动升降杆23，一个自动升降杆23的底部布设有ADV流速测量仪24，另一个自动升降杆23的底部布设有数显水位测针25。

进一步地，水槽上/下游分别设有上游止水闸门27和下游止水闸门28。

应用本发明的一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，模拟紊动强度引起的中华鲟鱼卵运动特性，并开展试验研究，试验过程及操作步骤如下：

(1)试验前准备工作。故障检测：启动智能控制与监视软件系统，进入用户智能控制界面，点击系统硬件设备故障检查按钮，观察故障警告窗口是否报错，若有报错，进行相关硬件设备检修；率定模型鱼卵材料相对比重与环境水氯化钠(NACL)浓度之间的关系：选择海藻酸钠聚合物作为试验模型鱼卵材料，该材料粒径5.0mm，与自来水相对比重1.1，通过测定该模型鱼卵材料在不同浓度氯化钠溶液下的相对比重，绘制模型鱼卵相对比重(相对于环境水的比重)与环境水氯化钠浓度之间的关系曲线；高速摄像机镜头畸变校正和尺寸标定：将侧面可滑移背光源LED屏19和底部可滑移背光源LED屏20移动至拟定的观测区域，将2台侧面同步采集的高速摄像机21和2台顶部同步采集的高速摄像机22分别架设于试验观测区域的侧面和水槽顶部，严格调整各摄像机架设的位置和角度，使2台侧面同步采集的高速摄像机21的镜头轴线垂直于水槽侧壁，且保持同一水平高度，同时使2台顶部同步采集的高速摄像机22的镜头轴线垂直于水平面，且居中位于水槽宽度中线的上方，并保持同一水平高度，进入用户智能控制界面，选择可视化监测模块，点击校正与标定按钮，进入畸变校正和尺寸标定模式，同时选中侧面和底面背光源LED屏的多选框，则侧面可滑移背光源LED屏19和底部可滑移背光源LED屏20都将显示几何畸变测试与尺寸标定网格图形(如图7)，智能控制与监视软件系统将自动开启侧面同步采集的高速摄像机21和顶部同步采集的高速摄像机22，拍摄畸变测试与尺寸标定网格图形的样片，自动分析高速摄像机镜头的畸变参数和每个像素对应的实际尺寸。

(2)进行模型鱼卵对中华鲟鱼卵的比重模拟操作。经测定，中华鲟鱼卵与自来水的相对比重为1.0441-1.0512，循环水槽的水箱蓄水量为10方，根据模型鱼卵相对比重(相对于环境水的比重)与环境水氯化钠浓度之间的关系曲线，计算要使模型鱼卵材料在环境水中的相对比重达到1.0441-1.0512，对应的氯化钠浓度，在用户智能控制界面中，选择相对比重模拟模块，在环境水氯化钠浓度参数文本框和环境水体积参数文本框中输入相应氯化钠浓度和水箱储水立方数，点击比重模拟按钮，智能控制与监视软件系统将自动计算需添加到水箱中的工业级氯化钠(氯化钠纯度在99.99％)毫克数以及沙漏式电磁阀门15的开启时长，位于水箱上方的漏嘴电磁阀门15将自动开启，同时位于水箱中的电导率仪12也自动开启并监测水箱中的氯化钠浓度(氯化钠浓度与电导率有显著的线性关系，可通过电导率仪12监测氯化钠溶液的浓度)，氯化钠晶体颗粒将从沙漏式漏嘴14中匀速释放，经相应时间，漏嘴电磁阀门15将自动关闭，待氯化钠晶体充分溶解后(漏嘴电磁阀门15关闭5-10分钟后)，智能控制与监视软件系统根据电导率仪12的读数，复核水箱中氯化钠浓度是否达到预设值，若未达到，智能控制与监视软件系统将短暂开启沙漏式电磁阀门15，释放少量氯化钠晶体，进行2-3次的浓度微调。

(3)水槽水位控制。首先，关闭水槽的下游止水闸门28，开启水槽的上游止水闸门27，开启位于水槽循环管道中的阀门和变频离心泵，将水箱中的水缓慢抽至水槽中，待水位达到预设水位时，关闭水槽离心泵，关闭水槽的上游止水闸门27。

(4)启动紊动模拟系统。将搭载变频步进电机16、L型联动杆17和紊动发生格栅18的纵向滑轨平台1移动至试验观测区域的上游0.5m处，在用户智能控制界面中，选择紊动模拟模块，在步进电机频率文本框和格栅振幅文本框中输入某一频率(5.0Hz)和振幅(9.0cm),点击紊动模拟按钮，智能控制与监视软件系统将自动启动步进电机，带动L型联动杆17和紊动发生格栅18沿水槽纵向方向做往复运动，紊动发生格栅18将在水槽中每秒往复运动5次，振幅9.0cm，待紊动发生格栅18持续运行达10分钟后，试验观测区域内将产生相对稳定、且接近各项同性的紊动强度。

(5)紊动强度测量。将搭载ADV流速测量仪24、数显水位测针25的纵向滑轨平台1移动至试验观测区域，在用户智能控制界面中，选择可视化监测模块，点击流场监测按钮，进入流场监测系统，智能控制与监视软件系统将自动弹出可视化流场监测窗口，实时监测三维脉动流速、紊动强度、水位高度等流场数据，并显示相应图像。

(6)紊动作用下的鱼卵运动特性测量。

在用户智能控制界面中，选择可视化监测模块，点击高速运动捕捉按钮，进入高速运动捕捉系统，选中侧面和底面背光源LED屏的多选框，选中侧面和底部摄像机的多选框，智能控制与监视软件系统将自动激活可滑移背光源系统的光源模式，侧面可滑移背光源LED屏19和底部可滑移背光源LED屏20将全屏均匀白光显示，同时2台侧面同步采集的高速摄像机21和2台顶部同步采集的高速摄像机22也将自动开启，并弹出可视化鱼卵运动监测窗口，选择在试验观测区域的中部，在水槽宽度的中线位置，将定量模型鱼卵(200ml，约20000个)从水面缓慢倒入水槽，可视化鱼卵运动监测窗口将实时监测鱼卵颗粒群体在紊动作用下的三维运动特性，并显示鱼卵运动视频图像和鱼卵运动轨迹实时分析图像。

另外：

应用本发明的一种鱼卵运动模拟与可视化监测系统，模拟流速和沙波地形共同作用下引起的四大家鱼鱼卵运动特性，并开展试验研究，试验过程及操作步骤如下：

(1)试验前准备工作。故障检测和高速摄像机镜头畸变校正和尺寸标定的操作步骤同实施例1。本试验拟采用四大家鱼真实鱼卵进行试验，故不需要率定模型鱼卵材料相对比重与环境水氯化钠(NACL)浓度之间的关系，若不选用其他新的模型鱼卵材料进行试验，也不需要重复率定模型鱼卵材料相对比重与环境水氯化钠(NACL)浓度之间的关系。

(2)河床沙波地形塑造。将一定配比的砂料、速凝水泥和水(1：0.17：0.4)搅拌均匀，形成水泥砂浆注入储料罐8(若试验最高流速不超过0.5m/s，还可以适当降低水泥配比，以便于试验过后河床地形的拆除)，将搭载3D河床模拟设备的纵向滑轨平台1放置于水槽顶部的纵向滑轨26上，搭载其他设备的纵向滑轨平台1先从水槽顶部的纵向滑轨26上取下，在用户智能控制界面中，选择3D河床模拟模块，进入3D河床模拟系统，导入所要塑造的三维数字地形图，点击3D河床模拟按钮，则搭载3D河床模拟设备的纵向滑轨平台1自动移动至水槽上游端，变频沙料输送泵6自动开启，储料罐8中的水泥砂浆依次经过刚性泵送管7、变频沙料输送泵6、柔性泵送管5、刚性自动升降泵送管3，送至河床塑形喷嘴4，河床塑形喷嘴4以逐行逐层扫描的方式运行，将水泥砂浆材料塑造成预设的河床沙波地形29。河床沙波地形29全部塑造完毕后，将搭载3D河床模拟设备的纵向滑轨平台1从水槽顶部的纵向滑轨26上取下，需静置2小时，待塑形材料固化。

(3)水槽流量水位控制。开启水槽的上游止水闸门27和下游止水闸门28，开启位于水槽循环管道中的阀门和变频离心泵，缓慢调节变频离心泵的运行频率和水槽下游的尾门开度，直至流量和水位达到预设试验工况要求，停止变频离心泵和尾门开度的调节操作。

(4)流速和沙波地形共同作用下的流场测量。将搭载ADV流速测量仪24、数显水位测针25的纵向滑轨平台1放置于水槽顶部的纵向滑轨26上，并移动至试验观测区域，在用户智能控制界面中，选择可视化监测模块，点击流场监测按钮，进入流场监测系统，智能控制与监视软件系统将自动弹出可视化流场监测窗口，实时监测三维脉动流速、水位高度等流场数据，并显示相应图像。

(5)流速和沙波地形共同作用下的四大家鱼鱼卵运动特性测量。在用户智能控制界面中，选择可视化监测模块，点击高速运动捕捉按钮，进入高速运动捕捉系统，选中侧面背光源LED屏的多选框，选中侧面摄像机的多选框，智能控制与监视软件系统将自动激活可滑移背光源系统的光源模式，侧面可滑移背光源LED屏19将全屏均匀白光显示，同时2台侧面同步采集的高速摄像机21也将自动开启，并弹出可视化鱼卵运动监测窗口，选择距离试验观测区域5m的上游位置，在水槽宽度的中线位置，将定量四大家鱼鱼卵(50ml，约5000个，试验用四大家鱼鱼卵经特殊染色处理，呈黑灰半透明状)从水面缓慢倒入水槽，可视化鱼卵运动监测窗口将实时监测鱼卵颗粒群体在流速和沙波地形共同作用下的运动特性，并显示鱼卵运动视频图像和鱼卵运动轨迹实时分析图像。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。