JP2009079931A - 電磁探査装置および電磁探索データ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に検出結果を出力することのできる電磁探査装置およびそれに向けられた電磁探査データ処理方法を提供する。
【解決手段】１次磁場の同一周期において、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｎ）との差の絶対値｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜が、基準値に対して所定のしきい値Ｔｈ１より大きくずれているか否かを判断することで、ロック外れの有無を判断することができる。このようにロック外れが生じている時間データを除外した上で、探査結果が算出される。
【選択図】図１１

Description

この発明は、代表的に地質調査や地下資源探査などに用いられる電磁探査装置および電磁探索データ処理方法に関し、より特定的には超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた構成に関する。

従来から、地質調査や地下資源探査などに用いられる電磁探査技術が実用化されている。この電磁探査技術では、代表的に地質の電気的物性（比抵抗）が測定される。このような地質の電気的物性を測定する方法として、地表面から地下の探査対象に向けて、周期的に変化する１次磁場を発生するとともに、この１次磁場によって発生する２次磁場を測定する方法が知られている（たとえば、特許文献１や非特許文献１）。

より詳細には、１次磁場が時間的に変動することによって、地表面にはその変動を妨げる方向に誘導電流が発生する。この誘導電流は、伝播経路にある地質の比抵抗の大きさに応じて減衰するが、この減衰に伴う誘電電流の時間的変化を妨げる方向に新たな誘導電流が発生する。このような誘導電流の発生プロセスが繰返されて、あたかも誘導電流が地下深部に伝播していくような現象を生じる。このような現象は「スモークリング」とも称されている。このような誘導電流は、伝播経路の比抵抗に応じて減衰するため、この誘電電流が発生する磁場を時間の関数として測定することにより、地下地質の比抵抗分布（主に断面図）を取得することができる。すなわち、誘導電流は、時間の経過とともに、その半径を広げながら深部方向に拡散する。送信ループに流していた一定電流を瞬間的に遮断した場合、深部方向に拡散する誘導電流の深度である拡散深度δは、電流を遮断してからの経過時間ｔを用いてδ＝（２ｔ／σμ）^１／２（σ：地下の導電率、μ：地下の透磁率）と表すことができる。したがって、測定時間をより長くすることによって、より深部までの比抵抗分布を取得することができる。

従来、このような２次磁場の測定には、金属導線からなる受信コイルを用いた誘導コイル型磁力計が用いられてきた。この誘導コイル型磁力計は、原理的に、磁場の大きさではなくその時間微分を測定する。これに対して、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下、「ＳＱＵＩＤ」とも称す）を用いて、磁場の大きさを直接測定する構成が提案されている。磁場の時間的変化は、磁場の時間微分の時間的変化に比較して緩やかであり、かつその値も大きい。さらに、ＳＱＵＩＤによれば、より微小な磁場を検出できるので、誘導コイル型磁力計よりもより遅い時間までデータを取得することができる。したがって、ＳＱＵＩＤを用いることにより誘導コイル型磁力計より深部についての比抵抗分布を取得することができる。

ところで、ＳＱＵＩＤで発生する磁場は、磁束量子φ_０（＝２．０７×１０^−１５Ｗｂ）の単位で量子化されている。そのため、ＳＱＵＩＤに磁束量子φ_０を超える振幅をもつ変動磁場が入力すると、別の量子化状態に遷移してしまう。すなわち、ＳＱＵＩＤ単独では、磁束量子φ_０を超える振幅をもつ変動磁場を正確に測定することができない。そこで、ＦＬＬ（Flux Locked Loop）と呼ばれる回路を用いて、外部磁場を打ち消すためのフィードバック磁場をＳＱＵＩＤに与えることで、測定範囲を拡大させる構成が一般的に採用される。
特開平７−１１０３８２号公報 内田 利弘、斎藤 章、「電磁法探査システムの開発動向」、物理探査、社団法人物理探査学会、第４７巻 第６号、ｐｐ４７２−５００

ＦＬＬ回路はフィードバック制御系を含んでおり、フィードバック磁場の発生には動作遅れ（１次遅れ）が不可避である。ここで、より深部における比抵抗分布を取得するために、より大きな１次磁場を発生すると、ＳＱＵＩＤに入力する磁場も大きくなる。その結果、ＳＱＵＩＤに入力する磁場の時間的変化がＦＬＬ回路の応答速度（スルーレート）を超えると、ＳＱＵＩＤが異なる量子化状態に遷移してしまい、測定信号にステップ的な測定誤差が発生するという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、より正確に検出結果を出力することのできる電磁探査装置およびそれに向けられた電磁探索データ処理方法を提供することである。

この発明のある局面に従う電磁探査装置は、探査対象に向けて周期性の変動磁場を発生する送信部と、ＳＱＵＩＤを含み、探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部と、検出部による検出結果を収集するデータ処理装置とを備える。検出部は、ＳＱＵＩＤに入力する外部磁場を打ち消すための磁場を発生するフィードバックコイルと、ＳＱＵＩＤが発生する電圧に応じてフィードバックコイルに電流を供給するフィードバック回路部とを含む。データ処理装置は、検出部によって連続的に検出された磁場のデータから、変動磁場の各周期に対応付けて、複数の各時間データを生成する時間データ生成手段と、複数の各時間データのうち、所定の基準値に対して所定量のずれが生じている時間データを除外する除外手段と、複数の時間データのうち、除外されなかった残余の時間データに基づいて、探査対象を示す探査結果を出力する出力手段とを含む。

好ましくは、所定量は、ＳＱＵＩＤの単一磁束量子に相当する出力電圧に基づいて定められる。

好ましくは、変動磁場の時間波形は、ゼロ区間を挟んで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返されるパルス波形である。除外手段は、正方向パルスがゼロへ戻るタイミングから所定期間前における値と、負方向パルスがゼロへ戻るタイミングから同一の所定期間前における値とに基づいて、所定量のずれが生じているか否かを判断する。

また好ましくは、変動磁場の時間波形は、ゼロ区間を挟んで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返されるパルス波形である。除外手段は、正方向パルスがゼロへ戻るタイミングから所定期間経過時における値と、負方向パルスがゼロへ戻るタイミングから同一の所定期間経過時における値とに基づいて、所定量のずれが生じているか否かを判断する。

好ましくは、出力手段は、残余の時間データを対応の時間毎に平均化することで探査結果を算出する。

この発明の別の局面に従えば、電磁探査装置における電磁探索データ処理方法を提供する。電磁探査装置は、探査対象に向けて周期性の変動磁場を発生する送信部と、ＳＱＵＩＤを含み、探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部とを備える。検出部は、ＳＱＵＩＤに入力する外部磁場を打ち消すための磁場を発生するフィードバックコイルと、ＳＱＵＩＤが発生する電圧に応じてフィードバックコイルに電流を供給するフィードバック回路部とを含む。電磁探索データ処理方法は、検出部によって連続的に検出された磁場のデータを収集するステップと、連続的に検出された磁場のデータから、変動磁場の各周期に対応付けて、複数の時間データを生成するステップと、複数の各時間データのうち、所定の基準値に対して所定量のずれが生じている時間データを除外するステップと、複数の各時間データのうち、除外されなかった残余の時間データに基づいて、探査対象を示す探査結果を出力するステップとを備える。

この発明によれば、より正確に検出結果を出力することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

（全体構成）
図１は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１の概略構成図である。

図２は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１を用いた電磁探査方法の概略を示す図である。

図１および図２を参照して、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１は、代表的に地質調査や地下資源探査などに用いられ、探査対象の電気的物性（比抵抗）の３次元分布などを測定することができる。

より具体的な構成として、電磁探査装置１は、検出部２と、データ処理装置３と、コントローラ４０と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換部４２と、パルス発振部４４と、送信機４６と、送信ループコイル４８とを含む。

送信機４６は、パルス発振部４４で発生するパルス信号（周期信号）に応じて、送信ループコイル４８に所定の送信電流を流すことで、送信ループコイル４８から探査対象に向けて磁場（以下、「１次磁場」とも称す）を発生する。送信ループコイル４８への送信電流を瞬時に遮断することにより、地表面にはその変動を妨げる方向に誘導電流が発生する。この誘導電流は、伝播経路にある地質の比抵抗の大きさに応じて減衰するが、この減衰に伴う誘電電流の時間的変化を妨げる方向に新たな誘導電流が発生する。このような誘導電流の発生プロセスが繰返されて、あたかも誘導電流が地下深部に伝播していくような現象（スモークリング）を生じる。

地表付近に配置された検出部２は、このような誘導電流によって発生する２次磁場を検出し、その検出結果をＡ／Ｄ変換部４２を介して、データ処理装置３へ出力する。この２次磁場は、誘導電流の減衰状態、すなわち伝播経路にある探査対象の比抵抗に応じた値を示す。また、２次磁場は誘電電流の伝播に伴って発生するので、２次磁場の時間的変化における経過時間は、深度に対応する。そのため、２次磁場の時間的変化に基づいて、比抵抗の地下方向のプロファイルを取得することができる。

検出部２は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下「ＳＱＵＩＤ」とも称す。）２０と、ＦＬＬ回路２２とを含み、探査対象に応じて発生する磁場を検出する。検出部２からはＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束に応じた電圧値が測定信号として出力される。なお、本実施の形態では、１個の検出部２を含む電磁探査装置１を例示するが、検出部２の個数は２個まで可能である。また、１個のＳＱＵＩＤ２０から構成される検出部２を例示するが、その検出面をたとえば水平方向と垂直方向とにそれぞれ向けた複数のＳＱＵＩＤ２０によって検出部を構成してもよい。

Ａ／Ｄ変換部４２は、検出部２によって連続的に検出される電圧値（アナログ値）をデジット値に逐次変換して、データ処理装置３へ出力する。

データ処理装置３は、Ａ／Ｄ変換部４２から出力される検出部２による検出結果を連続的に収集する。特に、データ処理装置３は、後述するようなデータ処理方法に従って、検出結果に含まれる誤差を含むデータを除外した上で、探査結果を算出する。なお、算出された探査結果は、データ処理装置３のディスプレイなどに表示される。

パルス発振部４４は、送信機４６を駆動するための周期性の発振信号（代表的に、周期パルス信号）を出力し、データ処理装置３からの送信指令に応答して、周期、波形および信号強度などを変更可能に構成される。

送信機４６と送信ループコイル４８とは、探査対象に向けて磁場を発生する送信部であり、送信機４６は、パルス発振部４４からの発振信号を増幅し、送信ループコイル４８に当該増幅した送信電流を流すとともに、送信ループコイル４８はこの電流に応じて、１次磁場を発生する。

（検出部）
図３は、この発明の実施の形態に従う検出部２の一部断面側面図である。

図３を参照して、検出部２は、ＳＱＵＩＤ２０を超電導状態に維持するための冷却媒体を格納する容器部２４と、冷却媒体に浸漬されたＳＱＵＩＤ２０と、熱侵入を防ぐ蓋部２８と、蓋部２８を貫通しＳＱＵＩＤ２０と接続されたＦＬＬ回路２２とを含む。

ＳＱＵＩＤ２０としては、ニオブ化合物などからなる低温超電導体、もしくはセラミックスなどからなる高温超電導体のいずれで構成してもよいが、本実施の形態に従う電磁探査装置１では、高温超電導体を用いる場合について説明する。高温超電導体は、約７７Ｋで超電導状態となるため、冷却媒体として液体窒素ＬＮ２（沸点：７７．３Ｋ）が用いられる。なお、低温超電導体を用いる場合には、冷却媒体として液体ヘリウム（沸点：４．２Ｋ）を用いる必要がある。

容器部２４は、代表的にガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成されており、容器外部からの熱侵入を抑制するために、その外周には真空層２６が形成されている。また、蓋部２８も同様に、ガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成されており、ネジなどによって容器部２４と密着する。

図４は、ＳＱＵＩＤ２０による磁場検出の原理を説明するための図である。
図５は、ＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束と出力電圧との関係を示す図である。

図４を参照して、ＳＱＵＩＤ２０は、ループ状に形成された超電導材料からなり、そのループ上に２個のジョセフソン接合ＪＪが形成される。このジョセフソン接合ＪＪは、絶縁材料を２つの超電導材料で積層した構造を有し、他の部分に比較して超電導材料としての特性が低い。そのため、ジョセフソン接合ＪＪは、ＳＱＵＩＤ２０の中で、最も早く超電導状態から常電導状態に移行する。すなわち、ループを流れる電流が所定の制限値を超えると、ＳＱＵＩＤ２０には常電導状態の部分が生じるが、この制限値はジョセフソン接合ＪＪによって制限されることになる。

ところで、ＳＱＵＩＤ２０は、超電導状態においては、自身を貫く磁束を排除するような現象（マイスナー効果）を生じる。より具体的には、外部からの磁束がＳＱＵＩＤ２０を貫通しようとすると、この磁束を打ち消すための遮蔽電流が流れる。そこで、ジョセフソン接合ＪＪが超電導状態を維持できる制限値に略等しいバイアス電流を外部から与えておくと、外部からの磁束を打ち消すための遮蔽電流が加わることで、ジョセフソン接合ＪＪは部分的に常電導状態に移行し、電気抵抗が発生する。この電気抵抗は、遮蔽電流の大きさ、すなわち入力する磁束の大きさに依存するので、電気抵抗に起因して生じる出力電圧を測定することで、検出部２に生じる磁場を検出することができる。

このＳＱＵＩＤ２０に生じる磁場は、磁束量子φ_０（＝２．０７×１０^−１５Ｗｂ）の単位で量子化される。そのため、図５に示すように、入力する磁束に対するＳＱＵＩＤ２０の出力電圧は、磁束量子φ_０の単位で同様の特性が繰り返し表れることになる。これは、マイスナー効果がＳＱＵＩＤ２０に侵入する磁束を排除するように作用する一方で、ＳＱＵＩＤ２０内に磁束が一旦侵入すると、磁束量子φ_０の単位でその磁束を閉じ込めるように作用するからである。

図５に示すように、同一の出力電圧に複数の磁束が対応することになるので、量子化状態が既知でなければ、ＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束の大きさを出力電圧に基づいて一意に決定することはできない。そこで、以下に述べるようなＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路２２を用いて、磁場を検出する。

図６は、この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路２２の概略の回路構成を示す図である。

図６を参照して、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０を特定の量子化状態に維持するとともに、ＳＱＵＩＤ２０の出力電圧を測定する。より具体的には、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０の両端に発生する電圧を積分して出力するとともに、ＳＱＵＩＤ２０に近接して配置されたフィードバックコイル２１から、この積分電圧に応じたフィードバック磁場をＳＱＵＩＤ２０に与える。このフィードバック磁場は、ＳＱＵＩＤ２０に入力する外部磁場を打ち消すためのものである。このようなフィードバック磁場によって、ＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束を実質的にゼロに維持し、量子化状態の遷移による誤差発生を抑制する。ＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束を実質的にゼロに維持することで、検出対象に応じて発生する２次磁場の大きさを直接的に測定することができる。

より具体的な構成として、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０の両端に生じる電圧を差動増幅する差動増幅器２２１と、演算増幅器２２２，２２６と、コンデンサ２２３と、抵抗器２２４，２２５と、可変抵抗器２２７とを含む。

演算増幅器２２２とコンデンサ２２３とは積分器を構成し、演算増幅器２２２の増幅率およびコンデンサ２２３の容量によって定まる時定数τをもつ。この時定数τは、ＦＬＬ回路としての応答速度（スルーレート）を定めるものであり、時定数τが小さいほど、その応答速度は高くなるが、安定性が低下するので、応答速度および安定性を考慮して適切に設定される。この積分器（演算増幅器２２２およびコンデンサ２２３）からＳＱＵＩＤ２０についての測定信号（電圧信号）が出力される。演算増幅器２２２の出力には、抵抗器２２４を介してフィードバックコイル２１が接続されており、ＳＱＵＩＤ２０が発生する電圧に応じた電流がフィードバックコイル２１へ供給される。

また、抵抗器２２４とフィードバックコイル２１との間には、電源ラインから可変抵抗器２２７、演算増幅器２２６、および抵抗器２２５が直列に接続されており、ＳＱＵＩＤ２０の電圧出力のゼロレベルを調整するために、フィードバックコイル２１へ供給される初期電流の微調整が可能になっている。

以上のような構成によって、検出部２は、１次磁場を受けて、検出対象に応じて発生する２次磁場の大きさを直接的に測定することができる。なお、図６に示すＦＬＬ回路２２の回路構成と本願請求項に係る発明との対応関係については、差動増幅器２２１と、演算増幅器２２２と、コンデンサ２２３と、抵抗器２２４とが「フィードバック回路」に相当する。

図７は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１における送信電流および発生する２次磁場を説明するための時間波形である。

図７（ａ）は、送信ループコイル４８に供給される送信電流を示し、図７（ｂ）は、計測する２次磁場を示し、図７（ｃ）は、計測する２次磁場の時間微分を示す。

図７（ａ）に示すように、送信ループコイル４８にパルス状の送信電流が供給されると、図７（ｂ）に示すような２次磁場が発生する。図７（ｂ）に示す２次磁場の時間微分は、図７（ｃ）に示すような波形となる。従来の誘導コイル型磁力計は、この図７（ｃ）に示すような２次磁場の時間微分を測定するものであったので、その測定感度に限界があった。本実施の形態に従う検出部２は、図７（ｂ）に示すような２次磁場の大きさそのものを測定できるため、より微小な２次磁場を長時間にわたって測定することができる。すなわち、より深部についての比抵抗分布を取得することができる。

（ＦＬＬ回路の動作）
次に、図８を参照して、ＦＬＬ回路２２を構成するＦＬＬ回路の動作、およびそこから出力される測定信号に発生するステップ的な誤差について説明する。

図８は、ＦＬＬ回路の動作原理を説明するための図である。図８（ａ）は、あるタイミングにおける定常状態を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す定常状態からＦＬＬ回路の応答速度（スルーレート）を超える時間的な磁場変動が印加された場合を示す。

図８（ａ）を参照して、まず定常状態において、ＦＬＬ回路は、ＳＱＵＩＤ２０へ入力する外部磁場を打ち消すように、フィードバックコイル２１（図６）からフィードバック磁場を発生させる。すなわち、フィードバックコイル２１は、その発生するフィードバック磁場ＢｆによってＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束がＳＱＵＩＤ２０へ入力する外部磁束Φｉｎ（＝外部磁場Ｂｉｎと有効断面積Ａｅｆｆとの積に相当）と略同一となるように動作する。そして、ＦＬＬ回路からは、このフィードバック磁場Ｂｆを発生するための電流に応じた電圧が測定信号として出力される。このようにして、ＳＱＵＩＤ２０へ入力する外部磁場Ｂｉｎに応じた測定信号を取得することができる。

このような定常状態においては、ＦＬＬ回路は、ＳＱＵＩＤ２０の出力電圧を、最大感度を得るためにＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束と出力電圧との関係上（ＳＱＵＩＤ２０のφ−Ｖ特性）のｄＶ／ｄφが最大となる位置に維持しようと、フィードバックコイル２１へ供給する電流を制御する。以下では、このような位置をロック点ＬＯＣＫ１とも称し、ロック点ＬＯＣＫ１を維持しようとする動作をＦＬＬ回路のロック動作とも称す。

上記のようなロック動作中において、外部磁場がＢｉｎからΔＢｉｎだけ時間的に変化した場合を考える。なお、この外部磁場の時間的変化ΔＢｉｎ／ΔｔはＦＬＬ回路の応答速度（スルーレート）以下であるとする。この場合には、ＦＬＬ回路のロック動作によって、フィードバック磁場ＢｆもΔＢｆだけ増加する。このフィードバック磁場Ｂｆの増加によって、ＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束が実質的にゼロとなり、ロック点ＬＯＣＫ１は維持される。

次に、図８（ｂ）を参照して、上記のようなロック動作中において、外部磁場ＢｉｎがＦＬＬ回路の応答速度を超えるような時間的変化ΔＢｉｎ／Δｔを生じる場合を考える。この場合にも、外部磁場Ｂｉｎの増加に伴って、ＦＬＬ回路はフィードバック磁場Ｂｆを増加させようとするが、このフィードバック磁場Ｂｆの増加に動作が遅れ、その結果、ＳＱＵＩＤ２０に磁束量子φ_０を超える磁束が入力されてしまうと、磁束量子φ_０の単位でＳＱＵＩＤ２０に磁束が侵入する。このＳＱＵＩＤ２０に一旦侵入した磁束は、ＳＱＵＩＤ２０内に閉じ込められ、ＳＱＵＩＤ２０の量子化状態は隣接する状態に遷移する。このようにＳＱＵＩＤ２０に閉じ込められた磁束を打ち消すために、ＦＬＬ回路は、この閉じ込められた磁束に対応するフィードバック磁場Ｂｆを発生する必要があり、ロック点はＬＯＣＫ１からＬＯＣＫ２へステップ的に遷移してしまう。この結果、ＦＬＬ回路からの測定信号もこの磁束量子φ_０に相当する単位でステップ的に変化することになる。すなわち、ＦＬＬ回路からの測定信号は、磁束量子φ_０によってＳＱＵＩＤ２０が発生する電圧分だけステップ的に変化する。なお、以下の説明では、このようなロック点のステップ的な遷移を「オフセット」とも称し、測定中にこのオフセットが発生しているデータを「オフセット発生データ」とも称す。

本実施の形態に従う電磁探査装置１は、測定信号中に含まれるこのようなステップ的な変化が発生しているものを除外した上で、探査対象の電気的物性を示す探査結果を出力する。

（オフセット発生データの除外方法）
次に、図９および図１０を用いて、送信ループコイル４８が発生する周期性の変動磁場（１次磁場）および検出部２によって検出される磁場について説明する。

図９は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１において発生する磁場の時間波形である。図９（ａ）は、送信ループコイル４８で発生する１次磁場を示し、図９（ｂ）は、ＳＱＵＩＤ２０で測定される測定信号を示す。図１０は、ＳＱＵＩＤ２０における磁場の時間的変化を示す模式図である。

図９（ａ）を参照して、送信ループコイル４８で発生する１次磁場の時間波形は、ゼロ区間を挟んで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返されるパルス波形である。本実施の形態では、正方向パルスが発生してから、次に正方向パルスが発生するまでの期間を１次磁場の１周期とする。図１０に示すように、１／４周期毎に発生するトリガのタイミングで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返される。この１次磁場に対して、図９（ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ２０では、探査対象に応じて発生する２次磁場に加えて、送信ループコイル４８で発生する１次磁場が検出される。これらを分離するため、正方向パルスおよび負方向パルスが遮断されるタイミング、すなわち正方向パルスがゼロへ戻るタイミングおよび負方向パルスがゼロへ戻るタイミングをそれぞれ基準タイミングとし、この基準タイミング以降にＳＱＵＩＤ２０から出力される測定信号に基づいて、探査対象の電気的物性が測定される。

これは、基準タイミング以降から次のパルスが発生するまでの期間においては、１次磁場がゼロに維持されるので、ＳＱＵＩＤ２０で測定される磁場は２次磁場のみとなるからである。

図１１は、この発明の実施の形態に従うＳＱＵＩＤ２０が出力する測定信号の時間波形である。図１１（ａ）は、オフセットが発生していない場合を示し、図１１（ｂ）は、オフセットが発生している場合を示す。

図１２および図１３は、この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路から出力される測定信号の一例を示す時間波形である。図１２および図１３は、図１１における２次磁場に相当する計測信号を主に表示しており、１次磁場に相当する測定信号は表示されていない。また、ソフトウェア処理の関係上、必ずしも正負の測定信号が交互に表示されていない。

図１２は、オフセットが発生していない場合を示し、図１３（ａ）では、頻繁にオフセットが発生している。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の一部の波形を拡大表示したものである。

図１１（ａ）を参照して、オフセットが発生していない状態では、送信ループコイル４８から何らの１次磁場も発生していない期間おける測定信号の出力は、所定の基準値に収束する。

一方、図１１（ｂ）を参照して、たとえば、正方向パルスの遮断に伴う磁場変化によってオフセットが生じた場合には、そのオフセットの発生時点以降の波形全体にずれを生じる。すなわち、オフセットが発生すると、負の基準値に対して所定のオフセットだけずれて収束することになる。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、オフセットが生じた場合には、１次磁場を発生していない（１次磁場の強度がゼロ）期間において、測定信号が基準値からずれている部分が発生していることがわかる。

再度、図１１（ｂ）を参照して、具体的には、１次磁場の同一周期において、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｎ）との差の絶対値｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜が、基準値に対して所定のしきい値Ｔｈ１より大きくずれているか否かを判断することで、オフセットの有無を判断することができる。

すなわち、対象の周期において、オフセットが発生している場合には、｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜は、基準値から磁束量子φ_０に相当する電圧値の単位で偏差を生じる。そこで、単一の磁束量子φ_０によってＳＱＵＩＤ２０が発生する電圧分に基づいて予め定めたしきい値Ｔｈ１と、｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜とを比較して、オフセットの有無を判断することができる。

なお、この期間Ｔ１は、調査したい深度に加えて、１次磁場がゼロから所定の振幅まで立ち上がって安定した状態となるような時間を考慮して設定される。

同様に、１次磁場の同一周期において、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｎ）との差の絶対値｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜が、基準値に対して所定のしきい値Ｔｈ２より大きくずれているか否かを判断することで、オフセットの有無を判断することもできる。

すなわち、対象の周期において、オフセットが発生している場合には、｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜は、基準値から磁束量子φ_０に相当する電圧値の単位で偏差を生じる。そこで、単一の磁束量子φ_０によってＳＱＵＩＤ２０が発生する電圧分に基づいて予め定めたしきい値Ｔｈ２と、｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜とを比較して、オフセットの有無を判断することができる。

なお、この期間Ｔ２は、探査対象で生じる２次磁場が十分に減衰した状態となるように設定される。

上述の２つのいずれのケースにおいてロック外れが発生しているため、差の絶対値｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜および｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜の両方に基づいて、オフセットの有無を判断する必要がある。

以下、このような処理を実現するための構成について説明する。
（データ処理装置）
図１４は、この発明の実施の形態に従うデータ処理装置３の概略のハードウェア構成を示す模式図である。

図１４を参照して、データ処理装置３は、代表的にコンピュータによって実現され、オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System）を含む各種プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）３００と、ＣＰＵ３００でのプログラムの実行に必要なデータを一時的に記憶するメモリ部３１２と、ＣＰＵ３００で実行されるプログラムを不揮発的に記憶するハードディスク部（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）３１０とを含む。また、ハードディスク部３１０には、後述するような処理を実現するためのプログラムが予め記憶されており、このようなプログラムは、ＦＤＤドライブ３１６またはＣＤ−ＲＯＭドライブ３１４によって、それぞれフレキシブルディスク３１６ａまたはＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk-Read Only Memory）３１４ａなどから読取られる。

ＣＰＵ３００は、キーボードやマウスなどからなる入力部３０８を介してユーザなどからの指示を受取るとともに、プログラムの実行によって測定される測定結果などをディスプレイ部３０４へ出力する。また、ＣＰＵ３００は、インターフェイス部３０６を介して、Ａ／Ｄ変換部４２から検出結果を受信したり、パルス発振部４４に送信指令を与えたりする。

（制御構造）
次に、図１５を参照して、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１におけるデータ処理を実現するための制御構造について説明する。

図１５は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１のデータ処理に係る制御構造を示すブロック図である。なお、図１５に示すブロック図は、データ処理装置３のＣＰＵ３００（図１４）がハードディスク部３１０などに予め格納されているプログラムをメモリ部３１２などに展開して実行することで実現される。

図１５を参照して、データ処理装置３は、送信制御部３５２と、バッファ部３５４と、データ格納部３７０と、抽出部３５６と、判断部３５８と、正規化部３６０と、出力部３６２とをその機能として含む。なお、データ格納部３７０は、ハードディスク部３１０（図１４）などの所定位置に形成される。

送信制御部３５２およびバッファ部３５４は、検出部２による探査対象からの応答である２次磁場を測定するための機能構成である。より具体的には、送信制御部３５２は、ユーザから開始指令を受けると、予め定められた設定に従って、パルス発振部４４（図１）に送信指令を与えるとともに、送信ループコイル４８で発生する１次磁場の同期データをバッファ部３５４へ通知する。すなわち、ユーザは、所望の探査対象場所に検出部２を設置した後、入力部３０８（図１４）を操作して、探査の開始指令をデータ処理装置３へ入力する。すると、送信制御部３５２が予め定められた設定に応じた送信指令をパルス発振部４４へ与え、パルス発振部４４から送信ループコイル４８への送信電流の供給が開始される。

バッファ部３５４は、送信制御部３５２からの１次磁場の同期データに対応付けて、検出部２からの検出結果をデータ格納部３７０に順次格納する。ここで、検出結果は、代表的にＳＱＵＩＤ２０で検出される磁場強度の連続的な時間データである。

抽出部３５６は、データ格納部３７０に格納された検出結果から、１次磁場の各周期に対応付けて、時間データを順次生成する。すなわち、時間データは、１磁場の１周期分に相当する、ＳＱＵＩＤ２０で検出される磁場強度の時間データである。そして、抽出部３５６は、このように生成した時間データを判断部３５８へ出力する。

判断部３５８は、各時間データに対して、上述の図１１（ｂ）に示すような判断処理を実行する。すなわち、判断部３５８は、各時間データに対して、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｎ）とを取得する。そして、判断部３５８は、これらの強度値の差の絶対値｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜と所定のしきい値Ｔｈ１を比較する。さらに、判断部３５８は、｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ１とを超えていれば、当該時間データではオフセットが生じていると判断し、正負両データを無効なデータとして取り扱う。

また、判断部３５８は、各時間データに対して、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｎ）とを取得する。そして、判断部３５８は、これらの強度値の差の絶対値｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜と所定のしきい値Ｔｈ２とを比較する。さらに、判断部３５８は、｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ２を超えていれば、当該時間データではオフセットが生じていると判断し、正負両データを無効なデータとして取り扱う。

以上のような処理を行なった後、判断部３５８は、無効なデータではない時間データを正規化部３６０へ出力する。すなわち、判断部３５８は、抽出部３５６で順次生成される複数の時間データのうち、オフセットが生じている時間データを除外する。

正規化部３６０は、判断部３５８から出力される複数の時間データに対して、当該複数の時間データの全体平均から、たとえば計算して得られた標準偏差から外れたデータをさらに除外する。

具体的には、正規化部３６０は、判断部３５８から出力される複数の時間データのうち、所定数（たとえば、１００個程度）の時間データを読み出して、各時間における平均値および標準偏差を算出する。そして、正規化部３６０は、時間データの各々に対して、算出した平均値から所定しきい値（たとえば、標準偏差に所定割合を乗じた値）の範囲外にあるものを除外し、残余の時間データを出力部３６２へ出力する。

ここで、各時間における平均値および標準偏差とは、抽出した複数の時間データの間で、各時間軸上の同一時刻における測定値に対して算出されるものであり、原理的には時間軸上の測定周期に沿って算出することができる。なお、各時間データを時間軸上で複数の領域に分割するとともに、領域別に定めたしきい値を用いて判断してもよい。

出力部３６２は、正規化部３６０から出力される複数の時間データに基づいて、これらを代表する時間データである探査結果を出力する。具体的には、出力部３６２は、これらの時間データに対して、各時間軸上の同一時刻における強度値を平均化することで、探査結果を算出する。

図１６は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１によって取得された探査結果の一例を従来例と比較して示すグラフである。図１６（ａ）は、従来の電磁探査装置によって出力された探査結果を示し、図１６（ａ）は、本実施の形態に従う電磁探査装置によって出力された探査結果を示す。

図１６（ａ）に示すように、オフセットによる誤差を含むデータを除外しなかった場合には、基準タイミングから遅い時間領域におけるデータが欠落しているのがわかる。これは、より深度の深い範囲（基準タイミングから遅い時間領域）のデータを取得するために、１次磁場の強度を高くすると、測定結果にオフセットによる誤差が生じ、十分な精度の探査結果を得ることができない。すなわち、このオフセットによる誤差に起因して、１次磁場の強度が制限されてしまい、十分な深度における探査結果を取得することはできない。

一方、図１６（ｂ）に示すように、本実施の形態に従う電磁探査装置１によれば、１次磁場を大きくした場合に生じるオフセットによる誤差を除外した上で、探査結果を生成することができる。そのため、より精度の高い探査結果を得ることができる。また、多数回の測定のうち、たとえその割合がわずかであっても、いずれかの周期においてオフセットが発生していないデータが得られれば、そのオフセットが発生していないデータに基づいて探査結果を算出できる。そのため、より深度の深い範囲のデータを取得することができる。

（処理手順）
以上のような制御構造の処理手順をまとめると、以下のようなフローチャートになる。

図１７は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１における処理手順を示すフローチャートである。

図１７を参照して、データ処理装置３のＣＰＵ３００は、ユーザから開始指令を受けると、予め定められた設定に従って、送信指令をパルス発振部４４に対して出力する（ステップＳ１００）。この送信指令に応答して、パルス発振部４４がパルス信号の発生を開始し、このパルス信号に応じて、送信機４６が送信ループコイル４８に所定の送信電流の供給を開始する。さらに、この送信電流によって、送信ループコイル４８からは１次磁場の発生が開始する（ステップＳ１０２）。この１次磁場によって、探査対象に応じた２次磁場が発生する。

一方、データ処理装置３のＣＰＵ３００は、１次磁場の同期データに対応付けて、検出部２からの検出結果をデータ格納部３７０に順次格納する（ステップＳ１０４）。そして、データ処理装置３のＣＰＵ３００は、予め定められた期間にわたって検出結果を取得したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。予め定められた期間にわたって検出結果を取得していなければ（ステップＳ１０６においてＮＯ）、ステップＳ１０４以下の処理が繰返される。

一方、予め定められた期間にわたって検出結果を取得していれば（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、データ処理装置３のＣＰＵ３００は、ハードディスク部３１０に格納されている検出結果を読み出して、１次磁場の各周期に対応付けて時間データを順次生成する（ステップＳ１０８）。そして、データ処理装置３のＣＰＵ３００は、生成した時間データに対して、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ１前における強度値Ｖ１^（ｎ）とを読出す（ステップＳ１１０）。そして、ＣＰＵ３００は、これらの強度値の差の絶対値｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜が所定のしきい値Ｔｈ１を超えているか否かを判断する（ステップＳ１１２）。

｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ１を超えていなければ（ステップＳ１１２においてＮＯ）、ＣＰＵ３００は、当該時間データに対して、正方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｐ）と、負方向パルスについての基準タイミングから期間Ｔ２経過時における強度値Ｖ２^（ｎ）とを読出す（ステップＳ１１４）。そして、ＣＰＵ３００は、強度値の差の絶対値｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ２を超えているか否かを判断する（ステップＳ１１６）。｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ２を超えていなければ（ステップＳ１１６においてＮＯ）、ＣＰＵ３００は、当該時間データを有効なものとして取り扱う（ステップＳ１１８）。

これに対して、｜Ｖ１^（ｐ）−Ｖ１^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ１を超えている場合（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、または｜Ｖ２^（ｐ）−Ｖ２^（ｎ）｜がしきい値Ｔｈ２を超えている場合（ステップＳ１１６においてＹＥＳ）には、当該時間データを無効なものとして取り扱う（ステップＳ１２０）。

そして、ＣＰＵ３００は、検出結果から生成されるすべての時間データに対して処理が完了したか否かを判断する（ステップＳ１２２）。検出結果から生成されるすべての時間データに対しての処理がまだ完了していなければ（ステップＳ１２２においてＮＯ）、ステップＳ１１０以下の処理が繰返される。

一方、検出結果から生成されるすべての時間データに対しての処理が完了していれば（ステップＳ１２２においてＹＥＳ）、ＣＰＵ３００は、ステップＳ１１８において有効なものとされた時間データのうち、所定数の時間データに対して、各時間における平均値および標準偏差を算出する（ステップＳ１２４）。そして、ＣＰＵ３００は、この算出した平均値および標準偏差に基づいて、当該時間データ群のうち全体の平均から大きく逸脱する時間データを除外する（ステップＳ１２６）。

さらに、ＣＰＵ３００は、除外されずに残った時間データに対して、各時間軸上の同一時刻における強度値を平均化することで、探査結果を算出する（ステップＳ１２８）。最終的に、ＣＰＵ３００は、ステップＳ１２８において算出した探査結果を出力する（ステップＳ１３０）。なお、探査結果の出力先として、ＣＰＵ３００は、この探査結果をディスプレイ部３０４に視覚的な表示したり、この探査結果のデータをハードディスク部３１０に格納したりする。

なお、探査対象をより精度よく調査するために、測点を複数設定する場合には、各測点において、図１７に示すフローチャートのうち、ステップＳ１００〜ステップＳ１０６における処理を予め実行しておき、その後、ステップＳ１０８〜ステップＳ１３０に係る処理を一括して実行してもよい。

この発明の実施の形態によれば、送信ループコイル４８から発生する１次磁場によって探査対象に応じて発生する２次磁場の大きさそのものを測定することができるので、２次磁場の時間微分を測定する従来の誘導コイル型磁力計を用いる構成に比較して、より深部について探査することができる。

特に、検出部２によって測定される２次磁場の時間データのうち、オフセットの発生の有無を判断するとともに、オフセットが生じたものを除外した上で、探査結果を算出する。これにより、１次磁場の各周期に対応して取得される時間データのうち、少しでもオフセットが生じていない時間データを取得できれば、正確な探査結果を算出できる。すなわち、ある程度のオフセットの発生を許容できるので、１次磁場の強度を高めることができる。この結果、１次磁場の強度をより高めて、より深度の深い範囲のデータを取得することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１の概略構成図である。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１を用いた電磁探査方法の概略を示す図である。 この発明の実施の形態に従う検出部２の一部断面側面図である。 ＳＱＵＩＤ２０による磁場検出の原理を説明するための図である。 ＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路２２の概略の回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１における送信電流および発生する２次磁場を説明するための時間波形である。 ＦＬＬ回路の動作原理を説明するための図である。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１において発生する磁場の時間波形である。 ＳＱＵＩＤ２０における磁場の時間的変化を示す模式図である。 この発明の実施の形態に従うＳＱＵＩＤ２０が出力する測定信号の時間波形である。 この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路から出力される測定信号の一例を示す時間波形である。 この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路から出力される測定信号の一例を示す時間波形である。 この発明の実施の形態に従うデータ処理装置３の概略のハードウェア構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１のデータ処理に係る制御構造を示すブロック図である。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１によって取得された探査結果の一例を従来例と比較して示すグラフである。 この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１における処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電磁探査装置、２ 検出部、３ データ処理装置、２０ ＳＱＵＩＤ、２１ フィードバックコイル、２２ ＦＬＬ回路、２４ 容器部、２６ 真空層、２８ 蓋部、４０ コントローラ、４２ 変換部、４４ パルス発振部、４６ 送信機、４８ 送信ループコイル、２２１ 差動増幅器、２２２，２２６ 演算増幅器、２２３ コンデンサ、２２４，２２５ 抵抗器、２２７ 可変抵抗器、３０４ ディスプレイ部、３０６ インターフェイス部、３０８ 入力部、３１０ ハードディスク部、３１２ メモリ部、３１４ ＣＤ−ＲＯＭドライブ、３１４ａ ＣＤ−ＲＯＭ、３１６ ＦＤＤドライブ、３１６ａ フレキシブルディスク、３５２ 送信制御部、３５４ バッファ部、３５６ 抽出部、３５８ 判断部、３６０ 正規化部、３６２ 出力部、３７０ データ格納部、ＪＪ ジョセフソン接合、ＬＮ２ 液体窒素。

Claims (6)

1. 探査対象に向けて周期性の変動磁場を発生する送信部と、
   ＳＱＵＩＤを含み、前記探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果を収集するデータ処理装置とを備え、
   前記検出部は、
   前記ＳＱＵＩＤに入力する外部磁場を打ち消すための磁場を発生するフィードバックコイルと、
   前記ＳＱＵＩＤが発生する電圧に応じて前記フィードバックコイルに電流を供給するフィードバック回路部とを含み、
   前記データ処理装置は、
   前記検出部によって連続的に検出された磁場のデータから、前記変動磁場の各周期に対応付けて、複数の時間データを生成する時間データ生成手段と、
   前記複数の各時間データのうち、所定の基準値に対して所定量のずれが生じている時間データを除外する除外手段と、
   前記複数の各時間データのうち、除外されなかった残余の時間データに基づいて、前記探査対象を示す探査結果を出力する出力手段とを含む、電磁探査装置。
2. 前記所定量は、前記ＳＱＵＩＤの単一磁束量子に相当する出力電圧に基づいて定められる、請求項１に記載の電磁探査装置。
3. 前記変動磁場の時間波形は、ゼロ区間を挟んで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返されるパルス波形であり、
   前記除外手段は、前記正方向パルスがゼロへ戻るタイミングから所定期間前における値と、前記負方向パルスがゼロへ戻るタイミングから同一の所定期間前における値とに基づいて、前記所定量のずれが生じているか否かを判断する、請求項１または２に記載の電磁探査装置。
4. 前記変動磁場の時間波形は、ゼロ区間を挟んで正方向パルスと負方向パルスとが周期的に繰返されるパルス波形であり、
   前記除外手段は、前記正方向パルスがゼロへ戻るタイミングから所定期間経過時における値と、前記負方向パルスがゼロへ戻るタイミングから同一の所定期間経過時における値とに基づいて、前記所定量のずれが生じているか否かを判断する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁探査装置。
5. 前記出力手段は、前記残余の時間データを対応の時間毎に平均化することで前記探査結果を算出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁探査装置。
6. 電磁探査装置における電磁探索データ処理方法であって、
   前記電磁探査装置は、
   探査対象に向けて周期性の変動磁場を発生する送信部と、
   ＳＱＵＩＤを含み、前記探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部とを備え、
   前記検出部は、
   前記ＳＱＵＩＤに入力する外部磁場を打ち消すための磁場を発生するフィードバックコイルと、
   前記ＳＱＵＩＤが発生する電圧に応じて前記フィードバックコイルに電流を供給するフィードバック回路部とを含み、
   前記電磁探索データ処理方法は、
   前記検出部によって連続的に検出された磁場のデータを収集するステップと、
   前記連続的に検出された磁場のデータから、前記変動磁場の各周期に対応付けて、複数の時間データを生成するステップと、
   前記複数の各時間データのうち、所定の基準値に対して所定量のずれが生じている時間データを除外するステップと、
   前記複数の各時間データのうち、除外されなかった残余の時間データに基づいて、前記探査対象を示す探査結果を出力するステップとを備える、電磁探索データ処理方法。

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