JP2007139449A - 固定式磁気探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固定式磁気探知装置では目標が通過した時に生ずる磁気歪み量を元に目標の存在の有無を識別していた。そのため、目標が静止している場合は磁気歪み量が得られず探知が極めて困難であった。
【解決手段】 複数に配置した磁気センサの磁界計測信号の平均値を計算した後、これをフーリエ変換して雑音分布を求め、雑音から外れた代表周波数の逆数で上記複数の隣同士の磁気センサの磁界計測信号の差分を取ることにより電子スキャンして、即ち、等価的に磁気センサを移動させたのと同じ処理をし、地磁気雑音と分離した状態で周囲磁界の空間分布変化を時系列の磁気歪み信号として抽出し、この磁気歪み信号の波形と振幅から目標の有無と位置を特定して探知するようにして探知能力を向上させるとともに、航空機や水中ビークル等の移動体で磁気センサを移動させるという不便をなくして運用性を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、目標の水中移動体の探知能力を向上させた固定式磁気探知装置に関するものである。

海底に設置してその側を目標の水中移動体が通過した時に生ずる磁界変化量を基に目標の存在の有無を識別するようにしたものは既に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平６−６６９２１号公報（第１図）

目標の水中移動体が存在する場合、それの有する磁性体の磁気モーメントによって誘起される磁界と地磁気との合成磁界によって磁界変化量、即ち、磁気歪みが生ずるが、従来は移動式磁気探知装置で移動してスキャンした時や固定式磁気探知装置において磁気センサの側を目標が通過した時に計測される磁気歪み信号を基に目標の存在の有無を識別するようにしていた。そのため固定式磁気探知装置の場合、目標が一定地点に静止している場合、磁気歪み信号が得られず、目標が最初からその地点に存在していたものか否か区別がつかないので探知が極めて困難であった。また、目標が移動している場合でもドリフト的な地磁気変動が雑音となって重畳するため、磁気歪み信号と雑音の分離が難しく探知が困難であるという問題点があった

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、スカラ磁気センサを等価的に最適の速度で電子スキャンさせて磁気歪み信号を雑音の少ない周波数帯域で検出するようにして目標の探知能力向上を目的としたものである。

この発明の固定式磁気探知装置は、一列に設置した複数のスカラ磁気センサと、上記スカラ磁気センサで計測した時系列の磁界計測データを記憶する複数のメモリと、上記複数のメモリに記憶された時系列データの一定期間の平均値を算出してこれにＦＦＴ処理をして雑音の周波数分布を算出する雑音分布識別部と、上記雑音分布識別部で算出した雑音の少ない周波数帯の代表周波数を基に逆数をスキャン時間として算出するスキャン時間算出部と、上記複数のメモリに記憶されている隣同士のスカラ磁気センサの時系列計測データを上記スキャン時間の逆数で差分を取ることによって等価的に一列にスカラ磁気センサをスキャンさせるようにする時系列データ差分処理部と、上記時系列データ差分処理部で生成した磁気歪み信号の波形と振幅から目標の水中移動体の存在の有無識別と位置特定を行う目標探知処理部とを設けたものである。

この発明によれば、複数の磁気センサの磁界計測信号の平均値を計算した後、これをフーリエ変換して雑音分布を求め、雑音から外れた代表周波数の逆数で上記複数の隣同士の磁気センサの磁界計測信号の差分を取ることにより、等価的に磁気センサを移動させたのと同じ処理をし、磁気歪み信号の波形と振幅から目標の有無と位置を特定して探知することによって、目標が静止している場合でも磁気歪み信号を雑音と分離した状態で検出できるので、探知能力が向上するという効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施例１を示す構成図であり、２はセンサ計測信号受信回路、４は雑音分布識別部、５はスキャン時間算出部、６は時系列データ差分処理部、７は目標探知処理部、８は報知回路、S1、S2、…、Snは一列に配置した第１、第２、…、第ｎのスカラ磁気センサ、M1、M2、…、Mnは第１、第２、…、第ｎのメモリ、３は第１、第２、…、第ｎのメモリM1、M2、…、Mnで構成される複数のメモリ、SSは磁気探知装置の出力である。

第ｎのスカラ磁気センサSnには、例えば、光磁気共鳴磁気センサやプロトン磁気センサ等があり、周囲磁界H₀の大きさに応じて数１００ＫＨｚ〜数ＭＨｚで発振するので、この発振周波数ω₀を電圧変換したものを磁気センサ出力として計測すれば、周囲磁界H₀を正確に計測することができる。

この周囲磁界H₀は水中移動体等の目標がない状態では、図４の(ａ)のように地磁気のみの一様な空間分布をしているが、目標が存在する場合は船体材質の磁性体が誘起する磁界と地磁気とがベクトル的に加減算されて(ｂ)のような例えば僅かに正弦波状に歪んだ空間分布、即ち、磁気歪みを生じている。

移動式磁気探知装置ではスカラ磁気センサを航空機や水中ビークル等の移動体に搭載して上空を飛行したり、海中を推進してスキャンし、この磁気歪みを時系列の磁気歪み信号として検出することによって目標の存在の有無を探知するが、海峡設置型、海底設置型磁気探知装置等固定方式の磁気探知装置は一定の場所に設置して移動しないので、目標が磁気センサに近づいてきた時に生ずる磁気歪み信号を検出して探知する。

そのため、目標が静止して移動しない場合は磁気歪み信号の検出が困難になり、探知が困難になるという課題があった。

また、上記移動式磁気探知装置の場合、移動体の速度は、その能力から、例えば航空機の場合は数１００Ｋｍ／ｈ〜１０００Ｋｍ／ｈ、水中ビークルの場合は数Ｋｍ／ｈ〜数１０Ｋｍ／ｈの範囲内に限られるので、スキャン速度もそれに対応してある範囲内に限定されて、検出される磁気歪み信号の周波数帯もある範囲内に限定される結果、地磁気雑音等の背景磁気雑音と近接し、雑音の影響を受けやすいという課題があった。

この発明の固定式磁気探知装置は、静止している目標であっても、複数のスカラ磁気センサを、電子的に、しかも雑音の少ない周波数帯域でスキャンさせることによって、雑音分離された状態で磁気歪み信号を検出することにより探知能力を向上させることを特徴とする。

この発明の実施例１の固定式磁気探知装置の動作について説明する。
例えば海峡の入口を横切るように一列に配置した第１、第２、…、第ｎのスカラ磁気センサS1、S2、…、Snによって海峡入口のｎ個の異なった位置の周囲磁界H₀を計測して無線通信やケーブルを介してセンサ計測信号受信回路２で受信し、次に、これら受信したｎ個の磁界計測信号が複数のメモリ３の第１、第２、…、第ｎのメモリM1、M2、…、Mnによってそれぞれ過去数十分に渡って一定周期で時々刻々更新して記憶されるようになっており、上記メモリの隣同士の差分を一定の時間差ΔＴで取ることにより、センサ周囲磁界の空間分布変化を算出することができ、あたかもスカラ磁気センサを移動体に搭載してスキャンしたのと同様の磁気歪み信号を検出することができる。

この場合、一般に磁界計測データは太陽フレアの影響や地磁気変動によって図５(ａ)に示すように低周波数ほど振幅の大きい1/f分布をしており、この雑音分布も時間的に変動しているため、計測された磁気歪み信号と雑音との区別は容易ではない。

雑音分布識別部４、スキャン時間算出部５、時系列データ差分処理部６は、上記磁気歪み信号を雑音と分離した状態で計測するためのものであり、先ず、雑音分布識別部４が複数のメモリ３から時々刻々更新されるｎ個の磁界計測信号を入力して過去数１０分に渡る平均値を平均磁界計測データとして求め、次にこの平均磁界計測データをフーリエ変換して図５(ｂ)に示すような磁界計測データの雑音分布を求め、それを基に雑音の周波数帯域から外れた周波数帯の代表周波数をスキャン周波数f₀として出力する。

次にスキャン時間算出部５によってこのスキャン周波数f₀の逆数をスキャン時間ΔＴとして求め、上記スキャン時間ΔＴで、第２、第１番目のメモリM2とM1との差分、第ｎ番目と第(ｎ-１)番目のメモリMnとMn-1の差分というふうに第１番目から第ｎ番目までのメモリに記憶された隣同士のスカラ磁気センサの磁界計測信号の差分を順次取り、これを時系列の磁気歪み信号として目標探知処理部７に繰り返し出力する。

目標探知処理部７は上記磁気歪み信号の例えば正弦波状波形の有無と振幅から目標の有無を識別し、目標が存在する場合には、正弦波波形の中心位置、即ち、図６に示すように第１のスカラ磁気センサからスキャン開始して中心位置に到達するまでの時間情報t₀を基に目標が一列に配置したライン上のどの位置にいるかを算出し、報知回路８によって目標の有無や位置情報を探知信号SSとして出力する。

このように、複数のメモリ３、雑音分布識別部４によって、一列に配置したｎ個のスカラ磁気センサの磁界計測信号の平均値を計算した後、これをフーリエ変換して雑音分布を求め、雑音から外れた代表周波数をスキャン周波数f₀として算出し、次にスキャン時間算出部５、時系列データ差分処理部６によって上記スキャン周波数f₀の逆数からスキャン時間ΔＴを算出した後上記一列に配置したｎ個の隣同士のスカラ磁気センサの磁界計測信号をスキャン時間ΔＴで差分を取ることにより電子スキャンして、即ち、等価的にスカラ磁気センサを移動させたのと同じ処理をし、周囲磁界の空間分布変化を時系列の磁気歪み信号として抽出する。

このような電子スキャン動作により静止した目標でも磁気歪み信号を検出することができ、しかも従来の移動式磁気探知装置による探知の場合は、航空機や水中ビークル等の移動体の飛行速度や推進速度によってスキャン速度が制約されて雑音の影響を受けやすくなっていた。

これに対して、この電子スキャン動作は、移動体を用いずに電気的に行うのでスキャン速度が制約されることなく自由に雑音と分離した周波数帯で磁気歪み信号を抽出できるので上記磁気歪み信号は雑音の影響を受けにくくなって探知能力が増すと共に、従来のように航空機や水中ビークル等の移動体でスカラ磁気センサを移動させるという不便をなくすことができる。

以上によれば、目標が静止している場合でも磁気歪み信号を雑音と分離した状態で検出できるので、探知能力が向上するとともに、スカラ磁気センサを移動させるという不便をなくすことができる。

この発明によれば、複数の磁気センサの磁界計測信号の平均値を計算した後、これをフーリエ変換して雑音分布を求め、雑音から外れた代表周波数の逆数で上記複数の隣同士の磁気センサの磁界計測信号の差分を取ることにより、等価的に磁気センサを移動させたのと同じ処理をし、磁気歪み信号の波形と振幅から目標の有無と位置を特定して探知することによって、目標が静止している場合でも磁気歪み信号を雑音と分離した状態で検出できるので、探知能力が向上するとともに、スカラ磁気センサを移動させるという不便をなくすことができるという効果が得られる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施例２を示す構成図であり、S11、S21、…、Sn1、Sn2、…、Snmは行列状に配置した第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのスカラ磁気センサ、MM1、MM2、…、MMmは実施例１と同様、其々がｎ個のメモリM1、M2、…、Mnで構成される第１、第２、…、第ｍの複数メモリ、９は行列雑音分布識別部、１０は時系列行列データ差分処理部、１１は行列目標探知処理部、１２は行列報知回路、SSは磁気探知装置の出力、２、５は実施例１と同一のものである。

第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのスカラ磁気センサS11、S21、…、Sn1、Sn2、…、Snmは図７に示すようにｎ行、ｍ列の行列状に配置しており、第１、第２、…、第ｍの複数メモリMM1、MM2、…、MMmが列に対応して其々の列に配置されているｎ個のスカラ磁気センサの磁界計測信号はセンサ計測信号受信回路２で受信された後、其々、過去数１０分に渡って一定周期で時々刻々更新して記憶されるようになっており、行列雑音分布識別部９は上記第１、第２、…、第ｍの複数メモリMM1、MM2、…、MMmから時々刻々更新されて出力される(ｎ×ｍ)個の磁界計測信号の過去数１０分に渡る平均値を平均磁界計測データとして求め、次にこの平均磁界計測データをフーリエ変換して図５(ｂ)に示すような磁界計測データの雑音分布を求め、それを基に雑音の周波数帯域から外れた周波数帯の代表周波数をスキャン周波数f₀として出力し、スキャン時間算出部５によってこの信号周波数f₀の逆数を取ってスキャン時間ΔＴとして算出する。

次に時系列行列データ差分処理部１０は上記スキャン時間ΔＴで、列毎に第２、第１番目のメモリM2とM1との差分、第ｎ番目と第(ｎ-１)番目のメモリMnとMn-1の差分というふうに第１番目から第ｎ番目までのメモリに記憶された隣同士の行のスカラ磁気センサの磁界計測信号の差分を順次取ってこれを時系列の列方向磁気歪み信号として行列目標探知処理部１１に繰り返しｍ列分出力すると共に、同様の方法で行毎に隣同士の列のスカラ磁気センサの磁界計測信号の差分を順次取ってこれを時系列の行方向磁気歪み信号として行列目標探知処理部１１に繰り返しｎ行分出力する。

行列目標探知処理部１１は其々、行方向、列方向に上記磁気歪み信号の例えば正弦波状波形の有無と振幅から目標の有無を識別し、目標が存在する場合には、其々、正弦波波形の中心位置、即ち、第１のスカラ磁気センサからスキャン開始して中心位置に到達するまでの時間情報を実施例１の場合と同様にして行方向、列方向に求め、互いに行方向、列方向に参照することによって目標が行列上のどの位置にいるかを算出し、行列報知回路１２によって目標の有無や位置情報を探知信号SSとして出力する。

このように行列状に配置したスカラ磁気センサS11、S21、…、Sn1、Sn2、…、Snm、時系列行列データ差分処理部１０、行列目標探知処理部１１によって、其々、行方向、列方向に電子スキャン動作させて磁気歪み信号を求め、これを互いに行方向、列方向に参照することによってさらに精度よく目標の有無や目標が存在する場合に位置を特定することができて探知能力が向上するとともに、従来のように航空機や水中ビークルでスカラ磁気センサを行列状に移動させて探知するという不便をなくすことができる。

以上によれば、目標が静止している場合でも磁気歪み信号を雑音と分離した状態で検出できる上に精度よく目標の位置を特定できるので、さらに探知能力が向上するとともに、スカラ磁気センサを移動させるという不便をなくすることができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施例３を示す構成図であり、SB11、SB21、…、SBn1、SBn2、…、SBnmは行列状に配置した第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのベクトル合成スカラ磁気センサ、５、９、１０、１１、１２は実施例２と同一のものである。

このような構成において、第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのベクトル合成スカラ磁気センサの其々は例えば磁気インピーダンス効果を利用した半導体磁気ベクトルセンサ３個一組を直交３軸に配置しており、これら半導体磁気ベクトルセンサの出力値をＸ、Ｙ、Ｚとするとこれら出力値は周囲磁界の直交３成分を表していて次式の計算をすることにより周囲磁界の絶対値H₀を求めることができるので、数１の計算をして周囲磁界H₀として出力する。

センサ計測信号受信回路２、スキャン時間算出部５、行列雑音分布識別部９、時系列行列データ差分処理部１０、行列目標探知処理部１１、行列報知回路１２によって、行毎、列毎に隣同士のベクトル合成スカラ磁気センサの磁界計測信号の差分を取ってこれを時系列の列方向、行方向の磁気歪み信号として抽出し、上記磁気歪み信号の例えば正弦波状波形の有無と振幅から目標の有無を識別すると共に目標が存在する場合に行列上のどの位置にいるかを算出して位置情報を出力するところは実施例２と同じである。

ここで磁気インピーダンス効果を利用した半導体磁気ベクトルセンサは半導体の薄膜製造技術を利用して超小型センサチップとして大量に安価に製造できるのでベクトル合成スカラ磁気センサ部分を小型、軽量で低コストで実現できるのでスカラ磁気センサを緻密に配置することが可能となって探知能力がさらに向上すると共に、広範囲に展開できて運用範囲が広がるという長所がある。

この発明の実施の形態１を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２を示すブロック図である この発明の実施の形態３を示すブロック図である。 目標の存在の有無と周囲磁界関係を示す図である。 磁界計測データの周波数分布を示す図である。 実施例１の磁気歪み信号の中心位置とスカラ磁気センサの位置関係を示す図である。 実施例２のスカラ磁気センサの配置の一例を示す図である。

符号の説明

２ センサ計測信号受信回路 ３ 複数のメモリ、 ４ 雑音分布識別部、 ５ スキャン時間算出部、 ６ 時系列データ差分処理部、 ７ 目標探知処理部、 ８ 報知回路 ９ 行列雑音分布識別部、 １０ 時系列行列データ差分処理部、 １１ 行列目標探知処理部、 １２ 行列報知回路、
S1、S2、…、Sn 第１、第２、…、第nのスカラ磁気センサ、
S11、S21、…、Sn1、Sn2、…、Snm 第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのスカラ磁気センサ、
SB11、SB21、…、SBn1、SBn2、…、SBnm 第１１、第２１、…、第ｎ１、第ｎ２、…、第ｎｍのベクトル合成スカラ磁気センサ。

Claims (3)

1. 一列に設置した複数のスカラ磁気センサと、
   上記スカラ磁気センサで計測した時系列の磁界計測データを記憶する複数のメモリと、
   上記複数のメモリに記憶された時系列データについて一定期間での平均値を算出し、これにＦＦＴ処理をして雑音の周波数分布を算出する雑音分布識別部と、
   上記雑音分布識別部で算出した雑音の少ない周波数帯の代表周波数を基に逆数をスキャン時間として算出するスキャン時間算出部と、
   上記複数のメモリに記憶されている隣同士のスカラ磁気センサの時系列計測データを上記スキャン時間で、等価的に移動させて磁気歪み信号を抽出する時系列データ差分処理部と、
   上記時系列データ差分処理部で生成した磁気歪み信号の波形と振幅から、水中移動目標の存在の有無識別と位置特定を行う目標探知処理部と
   を設けたことを特徴とする固定式磁気探知装置。
2. 上記スカラ磁気センサとして、複数をマトリックス状に設置したことを特徴とする請求項１記載の固定式磁気探知装置。
3. 上記スカラ磁気センサとして、磁気インピーダンス効果半導体ベクトル磁気センサチップを３個一組を直交３軸に配置してこれらのセンサ出力のベクトル合成値を出力することを特徴とする請求項２記載の固定式磁気探知装置。

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