JP2006329758A

JP2006329758A - 磁気探査装置

Info

Publication number: JP2006329758A
Application number: JP2005152382A
Authority: JP
Inventors: Sadaaki Abe; 定明安部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】補償用パラメータを算出するための、前記のような標準状態での測定が不要で、姿勢と相関のある磁気雑音の補償を行なうことができる磁気探査装置を提供する。
【解決手段】この発明の補正方法は移動体に組み込まれた直交３軸の磁気成分を検出する磁気センサ１と姿勢を検出する姿勢センサ２と各センサから入力された磁気データと姿勢データに基づいて磁気雑音を補正する信号処理部３を有し、各センサが検出する磁気データと姿勢データから磁気データと姿勢データを取得する。取得された磁気データと姿勢データには相関関係が見られることから、一次の近似式の傾きを算出しながら、磁気雑音を補正することで移動体の運動と相関のある磁気ノイズを軽減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気探査装置に関する。

従来より、移動体に組み込まれ使用される磁気探査装置は移動体が運動することで磁気雑音が生じるので、移動体の姿勢を検出し、所定の座標系に変換することで運動磁気雑音を打ち消すことが一般に行われている。

移動体の運動によって、磁気探査装置の座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は水平面から傾いた状態となり、姿勢センサで計測される磁気探査装置座標系のＸ軸，Ｙ軸と水平面のなす角度α、β、及びＺ軸の回転角度γを用いて水平面に座標変換する。即ち、座標変換された座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は次の数１であらわされる。

移動体の運動による座標変動に関しては、上記で問題がないが、この種の磁気探査装置は移動体内部に存在する磁性体によって雑音を生じ、しかもこの雑音は移動体の姿勢によって変動する。この雑音に対しては、磁気探査装置を移動体に組み込んだ状態で、姿勢を変化させて測定を行って、磁気補償用のパラメータを算出しておき、この予め測定しておいた磁気補償用のパラメータを用いて補正を行い、運動磁気雑音を打ち消す方法が、従来より知られている。例えば、特許文献１には航空機に組み込んだ磁気探査装置の磁気補償方法が記載されている。

特開２０００−２５８５５０号公報

しかしながら、前述した従来の補正方法では、磁気補償用パラメータを算出するために、個々の磁気探査装置を使用する移動体に搭載し、この移動体を実際に運動させて磁気補償用のパラメーターを算出する必要がある。標準品の磁気探査装置と標準品の移動体を用いて磁気補償用のパラメーターを算出し、このパラメーターで代表させる方法もあるが、実際に運動させて測定する必要があると共に、このパラメーターでは汎用性が乏しく、磁気探査装置、搭載する移動体、及び磁気探査装置の搭載状態等に変動がある場合には、その都度実測が必要であり、労力、コストが嵩むことになる。

従って、本発明の目的は、補償用パラメータを算出するための、前記のような標準状態での測定が不要で、姿勢と相関のある磁気雑音の補償を行なうことができる磁気探査装置を提供することにある。

本発明では、磁気センサ出力と姿勢センサ出力から、座標変換処理と磁気雑音補償を行うことにより、移動体の運動磁気雑音の低減を図っている。磁気雑音補償には、所定時間内の座標変換後の磁気データと姿勢センサによる姿勢データ間には一次の相関があると近似して、測定中に相関係数を計算しながら、この動的に求めた相関係数を用い、磁気雑音を補償しながら地磁気の強さを検出する。

本発明では、測定時に動的に相関係数を求めながら、磁気雑音を補償するため、予め標準状態で補償パラメーターを測定することが不要である。

即ち、本発明によれば、地磁気を検出する磁気センサと、磁気センサが組み込まれる移動体の姿勢を検出する姿勢センサと、前記磁気センサ出力の磁気信号および前記姿勢センサ出力の姿勢信号を処理する信号処理部を有し、磁気信号と姿勢信号より、信号処理部は座標変換を行なう手段と、座標変換後の出力から姿勢と相関のある磁気雑音を一次近似式の傾きを算出する手段から、補償係数を推定し、磁気雑音を補償しながら地磁気の強さを検出する磁気探査装置が得られる。

本発明によれば、移動体に磁気センサ、信号処理部、姿勢センサを設け、従来、予め必要であった標準状態の測定が不要となり、補償しきれずに残る移動体の運動と相関のある移動体内部に存在する磁性体による磁気雑音を補償し、精度の良い磁気探知を行なうことができる。

本発明の磁気探査装置は、地磁気を直交３軸成分に分けて検出できる磁気センサと、磁気センサが組み込まれる移動体の姿勢を基準に対して直交する３軸成分に分けて検出できる姿勢センサと、前記磁気センサ出力および前記姿勢センサ出力から座標変換及び磁気雑音を補償する信号処理部からなり、信号処理部で磁気雑音を補償しながら地磁気の強さを検出する。

短時間内では、移動体の位置での地磁気の変動は小さいと考えられ、姿勢変動が小さい範囲内では、座標変換後の各軸の磁気データと各軸の姿勢データとは一次式の相関を持つと近似することができるので、これを利用して磁気雑音の補償を行う。信号処理部では所定の時間を定めて、この時間内に測定した座標変換後の各軸の磁気データと各軸の姿勢データから、一次近似式の傾きを算出し、この傾きを用いて磁気データを補償することにより地磁気の強さを検出することができる。

以下図面を用いて、本発明の磁気探査装置を詳細に説明する。図１は本発明の磁気探査装置の構成及び補正の手順を示す説明図である。磁気センサ１は、地磁気を直交３軸に分けて検出する。姿勢センサ２は移動体の姿勢を水平からの傾斜量とある基準点からの回転量に分けて検出する。信号処理部３では磁気センサ１の出力信号と姿勢センサ２からの出力信号から座標変換部１１で座標変換を行い、その後、磁気雑音補償部１２で磁気雑音補償を行い、補償後の磁気出力を出力する。

磁気雑音補償部１２は更にロール角と相関のある磁気雑音を除去するロール角と相関のある磁気雑音補償部２１と、ピッチ角と相関のある磁気雑音を除去するピッチ角と相関のある磁気雑音補償部３１と、ヨー角と相関のある磁気雑音を除去するヨー角と相関のある磁気補償部４１とで構成される。

更に、ロール角と相関のある磁気雑音補償部２１は一次近似式の傾きを演算する一次近似式の傾き演算器２２とロール角と相関のある磁気雑音除去補償処理器２３で構成され、ピッチ角と相関のある磁気雑音補償部３１は一次近似式の傾きを演算する一次近似式の傾き演算器３２とピッチ角と相関のある磁気雑音除去補償処理器３３で構成され、ヨー角と相関のある磁気雑音補償部４１は一次近似式の傾きを演算する一次近似式の傾き演算器４２とヨー角と相関のある磁気雑音除去補償処理器４３で構成される。

次に、補正処理の詳細について説明する。磁気センサ１はｘ，ｙ，ｚ方向の磁界成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）の磁気データを出力し、姿勢センサ２は移動体のロール角、ピッチ角、ヨー角（α、β、γ）の姿勢データを出力し、信号処理部３に入力される。ここで、ロール角αはｘ軸の回転を表し、ピッチ角βはｙ軸の回転を表し、ヨー角γはｚ軸の回転を表す。信号処理部３内では、姿勢センサ２から出力されるロール角、ピッチ角、ヨー角（α、β、γ）を元に座標変換部１１で座標変換が実施され、座標変換後の磁界を（Ｈｘｈ，Ｈｙｈ，Ｈｚｈ）とすると数２で表わされる。

従って、磁気データ（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）と姿勢データ（α、β、γ）が解れば、数２により座標変換が可能で、座標変換された磁界（Ｈｘｈ，Ｈｙｈ，Ｈｚｈ）は移動体の姿勢に関わらず一定となる。しかし、移動体内部には磁性体が存在することで、数２では補償しきれない雑音成分が各軸に現れる。これら雑音成分は姿勢角と相関関係が見られる。すなわち、ロール角とｙ軸とｚ軸成分の磁気雑音成分、ピッチ角とｘ軸とｚ軸成分の磁気雑音成分、ヨー角とｘ軸とｙ軸成分の磁気雑音成分に相関関係が見られる。この相関関係を利用して一次式で近似して補正を行う。

一次近似式の傾き演算器２２はロール角とｙ軸成分の一次近似式の傾きと、ロール角とz軸成分の一次近似式の傾きを演算し、一次近似式の傾き演算器３２はピッチ角とｘ軸成分の一次近似式の傾きと、ピッチ角とｚ軸成分の一次近似式の傾きを演算し、一次近似式の傾き演算器４２はヨー角とｘ軸成分の一次近似式の傾きと、ヨー角とｙ軸成分の一次近似式の傾きを演算する。

既知であるｎ個のｘと既知であるｎ個のｙのデータから一次の近似式の傾きＳ（Ｔ）は数３で表わされる。

データのサンプリング時間をｔ（秒）、データ収集時間をＴ秒とすれば、データ数ｎはデータ収集時間Ｔとサンプリング時間ｔとの割算で求めることができる。すなわち、数４で表わされる。

一次近似式の傾き演算器２２は、ロール角と座標変換部の出力のｙ軸成分との一次近似式の傾きを演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をロール角、Ｙ（Ｔ）はｙ軸の座標変換後のＹ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＹα（ｔ）とすると、数５で表される。

同様に一次近似式の傾き演算器２２はロール角と座標変換部の出力のｚ軸成分の一次近似式の傾きも演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をロール角、Ｙ（Ｔ）はｚ軸の座標変換後のＺ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＺα（ｔ）とすると、数６で表される。

以上より、ロール角と座標変換されたＹ軸成分、ロール角と座標変換されたＺ軸成分の一次近似式の傾きを求めることができる。

本来であれば、一定となるべき座標変換後の出力が移動体内部に存在する磁性体により一定とはならずに傾きを持つことから、この傾きを補正する必要がある。その補正量はロール角とＹ軸成分の磁気雑音成分との一次近似式の傾きＹα（ｔ）とロール角α（ｔ）の乗算により求まり、ロール角とＺ軸成分の一次近似式の傾きＺα（ｔ）とロール角α（ｔ）の乗算で求めることができる。よって、ロール角と相関のある磁気雑音補償処理処理後の出力をＨｘｈα，Ｈｙｈα，Ｈｚｈαとすると数７で表わされ、この処理がロール角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器２３で行なわれる。

一次近似式の傾き演算器３２はピッチ角と、ロール角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＸ軸成分との一次近似式の傾きを演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をピッチ角、Ｙ（Ｔ）は数６よりロール角と相関のある磁気雑音補償部のＸ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＸβ（ｔ）とすると、数８で表される。

同様に一次近似式の傾き演算器３２はピッチ角と、ロール角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＺ軸成分との一次近似式の傾きも演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をピッチ角、Ｙ（Ｔ）は数６よりロール角と相関のある磁気雑音補償部のｚ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＺβ（ｔ）とすると、数９で表される。

以上より、ピッチ角と、ロール角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＸ軸成分、ピッチ角と、ロール角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＺ軸成分の一次近似式の傾きを求めることができる。

本来であれば、一定となるべき座標変換後の出力が移動体内部には存在する磁性体により一定とはならずに傾きを持つことから、この傾きを補正する必要がある。その補正量はピッチ角とＸ軸成分の磁気雑音成分との一次近似式の傾きＸβ（ｔ）と、ピッチ角β（ｔ）の乗算により求まり、ピッチ角とＺ軸成分の一次近似式の傾きＺβ（ｔ）と、ピッチ角β（ｔ）の乗算で求めることができる。よって、ピッチ角と相関のある磁気雑音補償処理処理後の出力をＨｘｈαβ，Ｈｙｈαβ，Ｈｚｈαβとすると数１０で表わされ、この処理がピッチ角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器３３で行なわれる。

一次近似式の傾き演算器４２はヨー角と、ロール角およびピッチ角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＸ軸成分との一次近似式の傾きを演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をヨー角、Ｙ（Ｔ）は数９よりロール角、ピッチ角と相関のある磁気雑音補償部のｘ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＸγ（ｔ）とすると、数１１で表される。

同様に一次近似式の傾き演算器４２はヨー角と、ロール角およびピッチ角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＹ軸成分との一次近似式の傾きも演算する。数３において、Ｘ（Ｔ）をヨー角、Ｙ（Ｔ）は数９よりロール角およびピッチ角と相関のある磁気雑音補償部のＹ軸成分の出力、データ数ｎは数４からＴ／ｔ、求める一次近似式の傾きをＹγ（ｔ）とすると、数１２で表される。

以上より、ヨー角と、ロール角およびピッチ角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＸ軸成分、ヨー角と、ロール角およびピッチ角と相関のある磁気雑音補償部の出力のＹ軸成分の一次近似式の傾きを求めることができる。

本来であれば、一定となるべき座標変換後の数１１の出力が移動体内部には存在する磁性体により一定とはならずに傾きを持つことから、この傾きを補正する必要がある。その補正量はヨー角とＸ軸成分の一次近似式の傾きＸγ（ｔ）と、ヨー角γ（ｔ）の乗算で求まり、またヨー角とＹ軸成分の一次近似式の傾きＹγ（ｔ）と、ヨー角γ（ｔ）の乗算で求めることができる。よって、ヨー角と相関のある磁気雑音補償処理後の出力をＨｘｈｒｐｙ，Ｈｙｈｒｐｙ，Ｈｚｈｒｐｙとすると数１３で表すことができ、この処理がヨー角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器４３で行なわれる。

次に、磁性体を有する移動体に磁気探査装置を搭載し、一定磁場中で運動させたときの磁気センサの磁気データの測定値と、本発明による補正を行った場合の磁気データに関して、計算シミュレーションをおこなって、本発明の磁気探査装置の有効性を検証した。

移動体が運動した時の磁気センサから出力される磁気データは、移動体の磁性体と磁気センサの位置関係と磁場から計算によって求めることができる。図２に計算シミュレーションによる運動時の磁気センサの出力データを示す。図２(ａ)は磁気センサのｘ軸成分の出力：Ｈｘ、図２（ｂ)は磁気センサのｙ軸成分の出力：Ｈｙ、図２(ｃ)は磁気センサのｚ軸成分の出力：Ｈｚを示している。この様に、運動による磁気雑音が現れている。

図２の計算シミュレーションの磁気データを姿勢データを基に、数２を用いて座標変換した磁気データを図３に示す。図３(ａ)は信号処理部内の座標変換後のｘ軸成分の出力：Ｈｘｈ、図３(ｂ)は信号処理部内の座標変換後のｙ軸成分の出力：Ｈｙｈ、図３(ｃ)は信号処理部内の座標変換後のｚ軸成分の出力：Ｈｚｈに相当する。このように、移動体が磁性体を有する場合には、座標変換を行っただけでは、運動磁気雑音の補正が充分ではないことがわかる。

次に、図２の計算シミュレーションの磁気データを姿勢データを基に、本発明による一次近似式を用いた磁気補償を施した後の磁気データを図４に示す。図４(ａ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｘ軸成分の出力：Ｈｘｈαβγ、図４(ｂ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｙ軸成分の出力：Ｈｙｈαβγ、図４（ｃ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｚ軸成分の出力：Ｈｚｈαβγに相当するデータである。この計算シミュレーションでは、データ収集時間Ｔでの移動体の運動量をロール角、ピッチ角、ヨー角の最大変化量が３度となるように設定し、補正に使用するデータ数ｎを５０個として磁気雑音補償を行った。

図４に示したように、本発明の一次近似式を用いた磁気補償を行うことにより運動磁気雑音を大幅に減少させることができることがわかった。

本発明の磁気探査装置の構成及び補正の手順を示す説明図。計算シミュレーションによる運動時の磁気センサの出力データを示す図。図２(ａ)は磁気センサのｘ軸成分の出力：Ｈｘを示す図、図２(ｂ)は磁気センサのｙ軸成分の出力：Ｈｙを示す図、図２(ｃ)は磁気センサのｚ軸成分の出力：Ｈｚを示す図。計算シミュレーションによる座標変換後の磁気データを示す図。図３(ａ)は信号処理部内の座標変換後のｘ軸成分の出力：Ｈｘｈを示す図、図３(ｂ)は信号処理部内の座標変換後のｙ軸成分の出力：Ｈｙｈを示す図、図３(ｃ)は信号処理部内の座標変換後のｚ軸成分の出力：Ｈｚｈを示す図。計算シミュレーションによる磁気雑音補償後の磁気データを示す図。図４(ａ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｘ軸成分の出力：Ｈｘｈαβγを示す図、図４(ｂ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｙ軸成分の出力：Ｈｙｈαβγを示す図、図４(ｃ)は信号処理部内の磁気雑音補償後のｚ軸成分の出力：Ｈｚｈαβγを示す図。

符号の説明

１磁気センサ
２姿勢センサ
３信号処理部
１１座標変換部
１２磁気雑音補償部
２１ロール角と相関のある磁気雑音補償部
２２一次近似式の傾き演算器
２３ロール角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器
３１ピッチ角と相関のある磁気雑音補償部
３２一次近似式の傾き演算器
３３ピッチ角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器
４１ヨー角と相関のある磁気雑音補償部
４２一次近似式の傾き演算器
４３ヨー角と相関のある磁気雑音除去の補償処理器

Claims

地磁気を検出する磁気センサと、前記磁気センサが組み込まれる移動体の姿勢を検出する姿勢センサと、前記磁気センサが出力する磁気信号と前記姿勢センサが出力する姿勢信号を処理して磁気データを出力する信号処理部からなる磁気探査装置において、前記信号処理部は前記磁気信号と前記姿勢信号より、前記磁気信号の座標変換処理と、所定時間内の座標変換処理後のデータと前記姿勢信号のデータを基に一次近似による前記座標変換処理後のデータと前記姿勢信号のデータ間の相関係数の算出と、前記相関係数と前記姿勢信号のデータから磁気雑音の補償を行うことを特徴とする磁気探査装置。