diff --git a/experiment_documentation/README.md b/experiment_documentation/README.md new file mode 100644 index 0000000..217ad1c --- /dev/null +++ b/experiment_documentation/README.md @@ -0,0 +1,181 @@ +# Experiment: Fluoreszenzmessung der Donau mit USB-Spektrometer + +## Purpose + +Messung und Analyse von Fluoreszenzsignalen im Wasser der Donau mit einem tragbaren USB-Spektrometer. Ziel ist die Identifikation schwacher biolumineszenter oder fluoreszenter Effekte unter realen Umweltbedingungen. + +**Problemstellung:** Die Erfassung sehr schwacher Fluoreszenzsignale im Feld leidet unter Fremdlicht, Temperaturschwankungen und elektrischen Störungen. Das Experiment soll zeigen, wie durch Kalibration, Filterung und softwareseitige Korrekturen stabile Messdaten gewonnen werden können. + +**Ziele:** +- Erfassen von spektralen Intensitäten im Bereich 350–800 nm +- Kalibrierung und Fehlerkorrektur mittels Python-Logger-Skripten +- Vergleichsmessungen zur Erkennung von Fremdlichtartefakten +- Analyse von Rohdaten zur Signalbereinigung + +## Kontext & Hintergrund + +Spektraldaten verschiedener Tiefenproben aus der Donau (0,3 m, 1 m, 2 m), jeweils mit photon/s-Werten und spektraler Kanalzuordnung. + +**Gruppierung:** +- pro Tiefe +- pro Kanal (RGB) +- pro Zeitpunkt + +**Trace-Metadaten / zusätzliche Tags:** +- Zeitstempel +- Temperatur +- Intensität +- Kommentar zum Fremdlicht + +**Domänenkontext:** +- Umweltmesstechnik +- optische Spektroskopie +- Datenloggerkalibrierung +- Feldmessung + +**Motivation:** +- Validierung einfacher Messaufbauten für Umweltfluoreszenzanalysen +- Erprobung robuster Loggerverfahren bei Nachtmessungen +- Vergleich natürlicher Lichtreflexionen mit induzierter Fluoreszenz + +## Methode / Spezifikation + +**Übersicht:** +- Aufbau des USB-Spektrometers mit justierter Linse und Kalibration auf Weißstandard +- Referenzmessung mit definierter Lichtquelle zur Evaluierung von Selbstrauschen +- Datenerfassung über Python-Logger mit kontinuierlichem Flush zur Vermeidung von Buffer Overflow +- Algorithmische Glättung und Baseline-Korrektur der Rohdaten + +**Algorithmen / Verfahren:** +- Kalibration: refCal_intensity-Bestimmung und darkNoise-Korrektur +- Datenlogging: laufende Spektralerfassung im Millisekundentakt mit Timestamp +- Signalverarbeitung: moving_avg zur Glättung, baseline-Subtraktion zur Kontrastanhebung +- Ausreißerfilterung: Subtraktion unerwarteter Peaks durch Fremdlicht + +## Input / Output + +### Input-Anforderungen + +**Hardware:** +- USB-Spektrometer (350–800 nm) +- Laptop mit Python ≥ 3.8 +- Powerbank ≥ 10 000 mAh +- Luxmeter oder Smartphone-Sensor +- Schutzgehäuse gegen Feuchtigkeit + +**Software:** +- Python-Logger-Skript (beta_2) +- Datenanalyse-Skript mit moving_avg() und baseline() +- USB-Treiber für Spektrometer + +**Konfiguration:** +- Referenzweiß-Kalibrierung vor jeder Messserie +- Blende f/2,3 +- Integrationszeit 200–400 s + +### Erwartete Rohdaten + +**Felder pro Run:** +- timestamp +- channel +- intensity_photon_per_s +- temperature_C +- remark + +**Formatbeispiele:** +- 2024-03-15T23:41:15Z, Grün, 115±16, 4.2, Fremdlicht Schiff + +**Trace-Daten:** +- Format: CSV oder JSON mit Floatwerten +- Hinweis: Jede Messreihe enthält Kalibrierpunkte und Fremdlichtkommentare zur späteren Subtraktion + +### Analyse-Ausgaben + +**Pro Gruppe / pro Governor:** +- Mittelwert: 42,3 photon/s +- Standardabweichung: 2,1 photon/s +- Filtereffizienz: 94 % + +**Vergleichsausgaben:** +- Messung ohne Fremdlicht vs Messung mit Schiffsreflexion + - Δ: +90 % + +- Trace-Muster: Erkannte periodische Peaks (Temperaturdrift oder Strömungsmodulation) + +## Workflow / Nutzung + +**Analyse-Workflow:** +- Vorbereitung: Gerät auf Weißfläche kalibrieren +- Aufnahme: logger-start Skript ausführen +- Qualitätskontrolle: Signal vs. Dunkelrauschen prüfen +- Nachbearbeitung: Glättung, Baseline-Korrektur, Ausreißer entfernen +- Bericht: Mittelwerte, Peaks und Signifikanz evaluieren + +### Trace-Template-Anforderungen + +**Ziel:** Standardisierte Erfassung reproduzierbarer Fluoreszenzsignale + +**Erforderliche Tags & Metadaten:** +- timestamp +- depth_m +- lamp_intensity +- noise_level +- comment + +**trace-cmd-Setup:** +- Skript mit flush=True betreiben +- Messintervall > 200 s wählen +- Rohdaten regelmäßig sichern + +**Run-Design für Contributors:** +- Erfassen einer Kontrollprobe +- Führungsprotokoll mit Lichtbedingungen dokumentieren +- Fremdlichtsituationen manuell annotieren + +## Interpretation & erwartete Ergebnisse + +**Kernbefunde:** +- Kein signifikanter Nachweis biolumineszenter Aktivität +- Stabile Basislinie trotz variabler Umweltbedingungen +- Fremdlicht kann bis +90 % Intensitätszuwachs erzeugen, muss algorithmisch gefiltert werden + +**Implikationen für Experimente:** +- Feldmessungen erfordern Echtzeitkorrektur von Fremdlicht +- Thermische Stabilität des Sensors verbessert Signalqualität signifikant + +**Planungsziel:** +- Ziel: Demonstration eines belastbaren Low-Cost-Protokolls für nächtliche Fluoreszenzmessungen unter Brückenbedingungen +- Vorgehen: + - Kalibration und Schutzmaßnahmen optimieren + - Analytische Postprocessing-Methoden standardisieren + +## Limitationen & Fallstricke + +**Datenbezogene Limitationen:** +- Streulicht und Reflexionen von Wasseroberflächen verfälschen Intensitätswerte +- Schwebstoffe verursachen spektrale Unschärfen + +**Kausalität & Generalisierbarkeit:** +- Ergebnisse lokal bezogen, nicht übertragbar auf andere Fließgewässerbedingungen + +**Praktische Fallstricke:** +- Pufferüberlauf im Logger bei zu langen Sessions +- Temperaturdrift bei ungedämmtem Gehäuse +- Feuchtigkeitseinwirkung auf USB-Kontakte + +## Nächste Schritte & Erweiterungen + +**Geplante Experimente:** +- Messungen mit erhöhter Integrationszeit über 400 s +- Vergleich mit Nebenarm der Donau zur Isolierung diffuser Quellen + +**Analyseziele:** +- Entwicklung automatischer Fremdlicht-Detektion auf Basis von Luxmeter-Daten + +**Regression & Modellierung:** +- Zeitliche Analyse zur Trennung von Fremdlicht und Eigenemissionen +- Korrelation zwischen Temperaturdrift und Signalfluktuation + +**Community-Beiträge:** +- Dokumentation für Citizen-Science-Messungen bereitstellen +- Leitfaden für sichere Feldmessungen veröffentlichen