JP2954063B2 - 改良されたダイポールモーメント検出器およびローカライザ - Google Patents
改良されたダイポールモーメント検出器およびローカライザInfo
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- JP2954063B2 JP2954063B2 JP9050658A JP5065897A JP2954063B2 JP 2954063 B2 JP2954063 B2 JP 2954063B2 JP 9050658 A JP9050658 A JP 9050658A JP 5065897 A JP5065897 A JP 5065897A JP 2954063 B2 JP2954063 B2 JP 2954063B2
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Description
ルの位置を決定する磁力計データ処理方法および装置に
関するものであり、特に磁気ダイポールの位置を決定し
てダイポールの位置を提供するために磁力計データの空
間的処理を使用する方法および装置に関する。
艦のような金属物体は、それらを検出するために使用さ
れることのできる磁気ダイポールモーメントを有してい
る。歴史的に言えば、磁界センサはこのような物体を検
出する(しかし位置を決定するのではなく)ために使用
されてきた。本出願人が開発した磁気ダイポール検出器
は、2つの方法で物体の位置を決定するために使用され
ている。1つの実施形態では単一のセンサが使用され、
かつ磁気ダイポールの位置を決定するためにある期間に
わたってデータが感知される。別の実施方法ではセンサ
のアレイが使用され、各センサ出力の局部的時間平均が
決定される。このデータは、ダイポールの位置を決定す
るために処理される。両技術は、測定値が採取されてい
る期間中に、対象となっているダイポールが比較的静止
しているという暗黙の前提で行われる。
術は、本出願人に譲渡された米国特許第 5,239,474号明
細書("Dipole Moment Detection and Localization")
に記載されている。この特許明細書には、磁気ダイポー
ルの位置を決定するために磁力計データを処理するため
に使用されるダイポールモーメント検出および位置決定
アルゴリズムが記載されている。本発明は、この米国特
許明細書の技術を改良した処理方法またはアルゴリズム
を提供する。
ルの位置を決定してダイポールの位置を提供するために
磁力計データの空間的処理を使用する方法および装置を
提供することである。
の目的を達成するために、一群の磁力計センサから得ら
れた磁力計データを処理し、それによって感知され処理
された磁気ダイポールの位置を出力する処理方法および
装置(ダイポールモーメント検出器およびローカライ
ザ、すなわちDMDLとも呼ばれる)を提供する。磁気
ダイポールの磁気の存在を感知するために物理的に分布
された一群の磁力計センサが使用される。物理的に分布
された一群の磁力計センサからの1組の磁力計の読み
は、予め定められた時間にサンプリングされる。磁力計
の読みの組は、磁気ダイポールの位置を推定するために
処理される。
の位置にある1以上の磁気ダイポールソースの尤度(lik
elihood)を推定するためにセンサ群から採取された磁界
測定値を同時に処理する。本発明の方法および装置は、
ダイポールモーメントの推定値を明白な形態(例えば陽
関数)で提供し、また尤度係数を計算するために使用さ
れる最適な理想的測定値の推定値を明白な形態で提供す
る。本発明は、多数のダイポールソースの同時処理を可
能にする一次推定(a linear estimate) を行うものであ
る。本発明は、複合的な磁気物体の類別を推定する手段
を提供する。本発明はランダムに配列された磁気センサ
の幾何学的なアレイを処理し、非線形軌道に沿った合成
アレイを処理する能力を有する。
させる。例えば米国特許第 5,239,474号明細書の処理方
法では、ダイポールモーメントに関連したパラメータが
センサ群測定値から推定され、これらのパラメータが最
大の尤度のダイポールソースを推定するために使用され
る。最大の尤度のダイポールソースをセンサアレイ測定
値から明白な形態で推定することによって、本発明は要
求される計算量を大幅に減少させる。
て利用できるため、最適なダイポールが生成した理想的
な測定値を得るためにこの解を置換して戻してもよい。
これらの理想的な測定値は、ダイポール推定値の尤度を
計算するために使用される。理想的なセンサ群測定値を
明白な形態で推定することによって、本発明は尤度を計
算するために必要とされる計算量を減少させる。
理を可能にする線形の解を提供する。米国特許第 5,23
9,474号明細書に記載された処理方法において、ダイポ
ールソースの解は非線形である。本発明では、ダイポー
ルソースおよびその理想的な測定値の解は共に線形であ
る。線形の解の利点は、多数のダイポールソースが明白
な解に対して同時に処理されることができることであ
る。
び位置によって複合的な磁気物体の分類を可能にする線
形の解を提供する。複合的な磁気物体は、この方法を使
用して少数の個別の磁気ダイポールソースを線形的に組
合せることによって近似されてもよい。本発明はこのよ
うな線形的な組合せを同時に処理することができるた
め、複合的な物体およびそれらの尤度を明白な形態で推
定することができる。これは、各ダイポールソースを独
立的に解いて、それらが既知の複合的な物体を形成する
か否かを決定するためにそれらを組合せることにまさる
利点である。
することができるために、磁気センサの各構造は、最適
な関数および性能が得られるように配置されることがで
きる。米国特許第 5,239,474号明細書の処理方法におい
て、センサ群は直線または簡単な弧のような簡単な幾何
学形状に配置されなければならない。本発明は、幾何学
的な配置にこのような制限を与えず、3次元空間の任意
の場所にセンサを設置することを可能にする。その利点
は、センサ群のシステムがカバレージの領域および検出
特性を最適化するように設計されてよいことである。合
成アレイは、運動している単一のセンサから周期的な測
定値を取ることによって生成される。本発明では、幾何
的な運動の複雑さとは無関係に合成アレイの処理が可能
である。その利点は、使用される軌道が直線および簡単
な弧に限定されず、どのような運動経路でも処理される
ことである。
用して、1組の磁気ダイポールの実際の磁界測定値が収
集され、(b)磁気ダイポールの位置が仮定される。次
に(c)仮定された位置にある磁気ダイポールによって
形成されたと推定された1組の磁界測定値が決定され
る。(d)その後実際の磁界測定値が推定された磁界測
定値と比較される。磁気センサ群の検出範囲内における
全ての仮定された位置に対してステップ(b)乃至
(d)が反復される。
第 5,239,474号明細書に記載された処理技術を改良する
ものである。本発明がこの米国特許第 5,239,474号明細
書に記載されたプロセスにまさる利点は以下の通りであ
る。
モーメントおよびそれらの尤度は明白な形態で得られな
いため、さらに計算が多い整合アルゴリズムを使用しな
ければならない。従来技術のプロセスのダイポールモー
メントの解は非線形であるため、多数の非常に近接した
ダイポールが反復的な検出/除去方式を使用して発見さ
れなければならない。複合的な磁気ソースの分類は、い
くつかの近接したダイポールソースが特徴付けられた後
にのみ行われることができる。DMDLは、磁界測定値
から明白な形態で分類パラメータを導出しない。従来技
術のプロセスで使用されたセンサは、直線や簡単な弧の
ような比較的簡単な幾何学形で配置されなければならな
い。合成アレイもまた簡単な幾何学形状で構成されなけ
ればならない。従来技術のプロセスでは、センサ群の軸
上またはその近くの検出位置が処理されない。
磁界を使用して物体を受動的に検出して位置を決定し、
かつ分類することを意図された任意のシステムにより使
用されることができる。本発明の処理方法またはアルゴ
リズムは、非音響対潜監視および戦闘システム、空港地
上交通制御システム、ハイウェイ交通監視システム、お
よび個人武器検出システムにおいて使用されることがで
き、また例えば戦線の敵軍の背後での軍事活動の秘密監
視に使用されることもできる。
以下の詳細な説明および添付図面から容易に理解される
であろう。なお図面では同じ参照符号は同じ構成素子を
示している。図1を参照すると、本発明の原理による磁
気ダイポール検出装置10が示されている。磁気ダイポー
ル検出装置10は、処理装置16に結合された随意に位置さ
れた一群の磁気センサ11aからなる磁気センサ群11を含
み、この処理装置16が本発明による処理方法20を実行す
る。磁気センサ群11は、導線による結合、RFデータリ
ンク、マイクロ波データリンク、またはその他の適切な
手段によって処理装置16に結合されている。磁気ダイポ
ール13(またはターゲット13)は、磁気センサ群11の検
出距離範囲内に位置されている。磁気センサ群11の各セ
ンサ11aから移動しているダイポール13の位置に向って
のびた磁界測定を表わす複数の矢印14が示されている。
各センサ11aからの読みには、センサデータが解析のた
めに収集される期間のダイポール13の位置を示す1組の
データが含まれている。磁気センサ群11からのセンサデ
ータはダイポール13に関する位置情報を生成するように
処理装置16において処理され、続いて表示装置17上で観
察するためにこのデータが表示される。
本発明による処理方法20またはアルゴリズムを示したフ
ロー図を表わす。この処理方法20は処理装置16において
実行され、以下のステップを含む。第1の工程(a)
は、ステップ21で示されているように複数の磁気センサ
11を使用して磁気ダイポール13の1組の実際の磁界測定
値を収集することである。随意に実際の磁界測定値は、
ステップ28で示されたように予め定められたフィルタで
処理されてもよい。次の工程(b)において、ステップ
22で示されたように、磁気ダイポール13の位置が仮定さ
れる。次の工程(c)では、ステップ23で示されている
ように、仮定された位置にある磁気ダイポールによって
形成されたと推定された1組の磁界測定値が決定され
る。実際の磁界測定値が予め定められたフィルタによっ
て処理されている場合には、ステップ29で示したように
推定された磁界測定値はまた予め定められたフィルタに
よって処理される。次に工程(d)において、ステップ
24で示されたように実際の磁界測定値(またはフィルタ
処理された実際の測定値)が推定された磁界測定値(ま
たはフィルタ処理された推定された測定値)と比較され
る。ステップ26において、磁気センサ群11の検出距離範
囲内の全ての仮定された位置に対して工程(b)乃至
(d)が反復される。ステップ27で、ダイポール13の位
置が表示装置17上で観察するために表示される。
的処理は、以下のように数学的に表わされる。磁気ダイ
ポール13の存在により生じた空間の1地点における磁界
は基本方程式:B =1/r5 [3(m・r)r−r2 m] [1] によって与えられ、ここでBは、B =Bx i+By j+Bz k [2] によって与えられる磁界ベクトルであり、mは、m =mx i+my j+mz k [3] によって与えられるダイポールモーメントベクトルであ
り、rは、r =rx i+ry j+rz k [4] によって与えられる位置ベクトルであり、r(t)は、r =rs −rd (t) [5] によって与えられるダイポールモーメントの位置に関す
る磁界中の位置である。rs は磁界がBに等しい位置で
あり、rd (t)はダイポールモーメントの位置であ
る。
本方程式は次のようになる:
しい空間中の地点との相対的な位置の関数である。
な三次元空間に随意に配置されていると仮定する。磁気
センサ群11の各センサは、局部的な磁界の3つの成分を
測定する。磁気センサ群11は、それらの各軸が互いに平
行であるように方位付けられている。
合成ベクトルによって定める:
リクスによって次のように定められる:
る:BA =[RA ]m [12]BA が単一の磁気ダイポール13の磁界を表わす1組の測
定値であるならば、mについて式12を解くと、磁気ダ
イポールベクトルの最大尤度の推定値が得られる。この
点において、地球の磁界や局部的な地磁気歪みのような
他の顕著な磁気ソースは測定値から取り除かれていると
仮定する。センサ群の位置マトリクスの疑似逆マトリク
スを次のように定める:
に表わされる:
推定されたダイポールベクトルの適合度は、実際のセン
サ測定値と、推定されたダイポールベクトルから導出さ
れた理想的なセンサ測定値との間の相関係数として評価
される。理想的な測定値は次のように定められる。
ことによって、次の式で与えられるゼロ平均ベクトルが
得られる。
I は実際のセンサ測定値BA に最も適合したセンサの実
現可能な測定値の推定値である。mest の式がBI の代
りに式に代入された場合、理想的な測定値の直接推定値
が得られる:
る。それは、 [S]=[S]T [23]、および [S]=[S]2 [24] において対称的で最適である特性を有している。
BI に与えられた場合に最適な推定値として理想的な測
定値の組を再生することを示している。
のダイポール推定量の式が多数のダイポール13から得ら
れたデータの同時処理を簡単にする。R1 およびR2 に
よって表わされた2つの異なる位置の2つの磁気ダイポ
ール13m1 およびm2 を仮定する。m1 およびm2 の両
者を測定するために同じセンサ群11が使用されると仮定
する。式9は線形であり、かつ磁界が線形的に加算され
ることができるため、センサ測定値に対する2つのダイ
ポール13の影響は線形的に合計されることができる: B=[R1 ]m1 +[R2 ]m2 [25] これは次のように簡単化されてもよい:
が測定値の1組から同時に推定されることができること
を示している。一般的な場合には、以下の式27を定め
る:
定める: [RT ]=|R1 R2 …Rm | [28] したがって式29は次のようになる:B =[RT ]mT [29] これは、M個のダイポールソースの位置の同時の推定を
導く:
単一のダイポールとしてみなされされない磁界を発生す
る単一の目標物体を分類する方法を示す。このような目
標物体は、通常1組の簡単なダイポールとしてモデル化
されてよい。これらのダイポールソースの幾何学的な配
置が推測的に分かっているならば、RT は、複合的な目
標物体を推定して相関させるために前もって重要な各地
点で計算されてよい。これは、物体内における磁界の主
要なソースが固定した幾何学的な位置におけるダイポー
ルとして現れる場合である。
パターンの1組の仮定されたダイポール(例えばダイヤ
モンドパターンの4つのダイポール)は任意の大きい複
合的な物体を近似するために使用されてよい。これは、
任意の目標物体を計算する単一のRT を導出し、その結
果最も適合したものと判断された既知の物体に対する1
組のパラメータに比較されることのできる1組のmTest
(ダイヤモンドパターンに対して12のベクトル成分)
パラメータが生成される。この方法は、1つが測定され
た値にパラメータがどの程度一致するか(検出)を表わ
し、1つが既知の物体にパラメータがどの程度一致する
か(分類)を表わす2つの相関係数を提供する。
の位置を決定する能力を示す。20個の磁気センサ11は1
行が10個からなり、行間が 300フィート隔てられた2行
に配置されている。各行内のセンサ11は40フィート隔て
られており、その行は互い違いに配置されている。ダイ
ポール13はセンサ群の中心の 400万ガンマフィートに位
置されている。最適なダイポール13は、センサ群によっ
てカバーされる領域内において10フィートづつ間隔を置
かれた 900グリッド地点のそれぞれで式14を使用して
推定される。それぞれ仮定されたダイポール13は、式1
8を使用して実際のセンサ測定値と相関され、これらの
相関係数が図示されている。10の時間サンプルにわたっ
て積分されているセンサ測定値に対して、0.5 ガンマR
MSの雑音が加算される。相関係数は実際のソース位置
で0.96のピーク値に達し、その他の全ての位置で急速に
低下する。
ダイポールに関する軌道データを出力するために磁力計
データの空間的処理を使用する改良された方法および装
置を説明してきた。記載された実施形態は、本発明の原
理の応用を表わした多数の特定の実施形態のいくつかの
単なる例示に過ぎないことが理解されるであろう。当業
者は、明らかに本発明の技術的範囲を逸脱することなく
多種多様の別の構造を容易に認識することができる。
概略図。
理方法またはアルゴリズムを示したフロー図。
明の能力を示した説明図。
Claims (7)
- 【請求項1】 空間的に分布された磁気センサ群を使用
して磁気ダイポールを検出し、その位置を決定する方法
において、 (a)複数の磁気センサを使用して、磁気ダイポールの
1組の実際の磁界測定値を収集し、 (b)センサ群に対する磁気ダイポールの仮定された位
置に対応する位置マトリクスを記憶し、 (c)実際の磁界測定値と最適の方向と大きさを有する
ダイポールにより発生される磁界測定値との間の二乗誤
差の合計を最小にする最小二乗推定値を発生する電磁モ
ーメント式を使用して磁界測定値からダイポールの方向
と大きさを推定し、 (d)最適の方向と大きさを有するダイポールによりセ
ンサにおいて発生される予測磁界測定値を計算し、 (e)実際の磁界測定値を予測磁界測定値と比較し、 (f)磁気ダイポールを検出し、その位置を決定するた
めに、磁気センサ群の検出範囲内における全ての仮定さ
れた位置に対してステップ(b)乃至(e)を反復する
ステップを含んでいることを特徴とする磁気ダイポール
の検出および位置決定方法。 - 【請求項2】 さらに、位置データを表示するステップ
を含んでいることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 磁気センサ群の検出範囲内における全て
の仮定された位置に対してステップ(b)乃至(e)を
反復するステップは、 測定された磁界値と推定された磁界値とを乗算し、その
結果を一群のセンサにわたって合計することによって、
一群のセンサに対して推定された磁界値のそれぞれと測
定された磁界値とを相関させ、 結果的な相関の1つが他のものより著しく大きい値を有
しており、かつそれが予め定められたしきい値より大き
い場合、大きい相関値を生じさせる計算された値に対応
した位置が検出されたことを示すステップを含んでいる
ことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 さらに、位置データを表示するステップ
を含んでいることを特徴とする請求項3記載の方法。 - 【請求項5】 空間的に分布された磁気センサ群を使用
して磁気ダイポールを検出し、その位置を決定する方法
において、 (a)複数の磁気センサを使用して、磁気ダイポールの
1組の実際の磁界測定値を収集し、 (b)予め定められたフィルタを使用して実際の磁界測
定値をフィルタ処理し、 (c)センサ群に対する磁気ダイポールの仮定された位
置に対応する位置マトリクスを記憶し、 (d)実際の磁界測定値と最適の方向と大きさを有する
ダイポールにより発生される磁界測定値との間の二乗誤
差の合計を最小にする最小二乗推定値を発生する電磁モ
ーメント式を使用して磁界測定値からダイポールの方向
と大きさを推定し、 (e)最適の方向と大きさを有するダイポールによりセ
ンサにおいて発生される予測磁界測定値を計算し、 (f)予め定められたフィルタを使用して予測磁界測定
値をフィルタ処理し、 (g)実際の磁界測定値を予測磁界測定値と比較し、 (h)磁気ダイポールを検出し、その位置を決定するた
めに、磁気センサ群の検出範囲内における全ての仮定さ
れた位置に対してステップ(c)乃至(g)を反復する
ステップを含んでいることを特徴とする磁気ダイポール
の検出および位置決定方法。 - 【請求項6】 さらに、位置データを表示するステップ
を含んでいることを特徴とする請求項5記載の方法。 - 【請求項7】 一群の磁気センサと、 一群の磁気センサに結合され、センサ群に対する磁気ダ
イポールの仮定された位置に対応する位置マトリクスを
記憶し、実際の磁界測定値と最適の方向と大きさを有す
るダイポールにより発生される磁界測定値との間の二乗
誤差の合計を最小にする最小二乗推定値を発生する電磁
モーメント式を使用して磁界測定値から複数の仮定され
た位置におけるダイポールの方向と大きさを含む磁界値
を推定し、測定された磁界値を提供するために検出され
るべき磁気ダイポールが存在するときにセンサのそれぞ
れにおける測定された磁界を示す磁界信号を収集し、測
定された磁界信号を時間的にかつ空間的にフィルタ処理
することによってセンサのそれぞれにおいて測定された
磁界の空間的および時間的変化を除去し、測定された磁
界値と推定された磁界値を乗算して、センサ群にわたっ
てその結果を合計することによって、推定された磁界値
のそれぞれと測定された磁界値を相関させ、相関の1つ
が他のものより著しく大きい値を有しており、かつそれ
が予め定められたしきい値より大きい場合、およびダイ
ポールの軌道位置が著しく大きい値で生成された測定さ
れた磁界信号によって表わされる位置に対応している場
合に、ダイポールの位置を識別する処理手段と、 識別されたダイポールの位置を表示する表示手段とを具
備していることを特徴とする磁気ダイポールを検出して
その位置を決定する装置。
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