用于量化活性颗粒聚集体的单相机三维扫描测速系统

本文开发了一种三维（3D）扫描测速系统，用于量化颗粒的三维构型及其周围的体积化、三分量速度场。该方法利用平移激光片快速扫描感兴趣体积，并依次照亮包含流体中播撒示踪粒子和构成目标聚集体的颗粒的流场切片。这些图像切片由单台高速相机捕获，在图像时间序列中编码第三空间维度的信息。先前的扫描系统实现或是针对体积流场量化，或是针对三维物体重建，而本文评估了用单相机同时完成这些任务的可行性，从而可简化数据收集与分析。该系统的能力通过研究毫米尺度卤虫（Artemia salina）的诱导垂直迁徙进行了表征。在迁徙聚集体内，个体游动体的识别与重建以及三维轨迹的获取，在目前已研究的最大数密度 $8 \,\times\,10^5$ 只每 $\textrm{m}^3$ 下均得以实现。该数密度与以往类似迁徙的平面平均二维测量密度相当。相应的流场速度测量表明，该技术能够分辨游动聚集体内部及周围的三维速度场。在这些动物数密度下，观测到了由迁徙诱导的相干流动现象。这些流动测量的准确性在 $Re_D = 50$ 的自由射流的独立研究中得到了确认。