JP3312133B2

JP3312133B2 - 極超低周波磁気計測システム

Info

Publication number: JP3312133B2
Application number: JP31710995A
Authority: JP
Inventors: 久賀戸
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: JPH09133777A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広範囲の地域内に
おいて３００ヘルツ以下程度の極超低周波の微弱磁気変
動を計測しうる極超低周波磁気計測システムに関し、特
に、個々の計測点付近の環境磁気ノイズを低減しうる極
超低周波磁気計測システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】地球は、その内部に鉄を主体とする金属
からなる核を有しており、核は、液体状態の外核と、固
体状態の内核で構成されている。外核に関しては、地球
の自転力や、外核に含まれる放射性物質の崩壊による熱
エネルギにより、緩やかな流動が生じ、これに伴い外核
内部に電流が発生し、これにより磁場が生じている、と
する「ダイナモ理論（Dynamo theory ）」が提唱されて
いる。実際、地球は、北極をＳ極とし南極をＮ極とする
巨大な磁石を形成している。このため、地球上には、地
磁気が分布している。地磁気は、地球座標系のｘ，ｙ，
ｚ方向の３成分を持つベクトル量であり、その値は、約
５×１０^-5テスラ（Ｗｂ／ｍ² ）すなわち５万ナノテス
ラ（ナノテスラ＝１０^-9テスラ）程度である。

【０００３】最近、地震の前兆現象として、地磁気が変
動したとする例が報告されている。例えば、マグニチュ
ード５．０程度の地震の前に、５ナノテスラ程度の地磁
気の変動が観測されたという報告がある。また、岩石に
残留する磁気から、過去の巨大地震の際の地磁気変化を
算出した結果、マグニチュード８．０程度の巨大地震で
あった日本の濃尾地震（１８９１年）の際に１０ナノテ
スラ程度の地磁気変動があったのではないか、という報
告もある。これらは、「地震地磁気効果」と呼ばれてい
る。この地震地磁気効果は、地震の発生前に地殻内で発
生する圧力により、岩石磁化が変化するためである、と
考えられている。また、地震の前兆現象としては、地電
流も知られている。これに関しては、地震の発生前に地
殻内で発生する圧力により岩石が破壊する際に、一種の
圧電効果によりピエゾ電流が発生するためである、とい
う説がある。この場合も、電流の発生により地磁気が変
化することが考えられる。

【０００４】また、地殻深部のマグマは、地下の割れ目
等を経て地上に上昇し、火山の火口から溶岩として噴出
する。溶岩が冷却して固化したものが玄武岩や安山岩な
どの火山岩である。火山岩は、地球磁場により帯磁し、
岩石磁化を生ずる。したがって、火山は、それ自体が一
種の磁石となっている。マグマは、火山直下に一時滞留
する場合があり、その場合には、高い熱と圧力により、
周辺の岩石に影響を与え、その岩石磁化を変化させると
考えられている。したがって、噴火等の火山活動の前兆
として地磁気変動が起こることも考えられ、この場合の
地磁気変動も数ナノテスラ程度であろうと予想される。
また、火山地帯では、岩石磁化により地磁気が強められ
ているので、上記した地震地磁気効果も顕著に現れると
考えられている。これら地球活動に伴う地磁気変動は、
その性質上非常に緩慢であり、その周波数は１０Ｈｚ以
下と考えられている。

【０００５】したがって、数ナノテスラ程度の地磁気の
変動を観測することにより、地震や火山活動などの地球
規模の変動を検出しうる可能性がある。ナノテスラオー
ダーの微弱磁場を検出しうる計測器としては、磁束密度
分解能が、１００ピコテスラ／Hz^1/2 （ピコテスラ＝１
０^-12 テスラ）すなわち０．１ナノテスラ程度のプロト
ン磁力計、磁束密度分解能が１ピコテスラ／Hz^1/2 すな
わち１／１０００ナノテスラ程度のフラックスゲート磁
力計、磁束密度分解能が２フェムトテスラ／Hz^1/2 （フ
ェムトテスラ＝１０^-15 テスラ）すなわち百万分の２ナ
ノテスラ程度のＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum
Interference Device ：超伝導量子干渉デバイス）磁束
計が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように通常の地磁気の値が約５万ナノテスラである
上、地磁気は一定ではなくたえず変化しており、種々の
雑音が混在する。例えば、太陽の黒点の変化により地球
に来襲する高速なプラズマ状態のイオン粒子の集団であ
る太陽風は、地球の電離層によってある程度は遮蔽され
るが、周波数１Ｈｚにおいて２０ピコテスラ／Hz^1/2 程
度すなわち０．０２ナノテスラ程度の磁気雑音を引き起
こす。さらに大きな磁気雑音を発生するのは、市街地で
ある。その大きな雑音源は鉄道電車、自動車等であり、
その雑音レベルは前者の場合では数十ナノテスラ、後者
では数ナノテスラに達し、太陽風の場合の地磁気雑音の
１００〜数千倍である。したがって、上記した高感度の
磁束計を何らの対策も施さずに地球磁場内に設置して地
磁気計測をした場合には、市街地環境における数ナノテ
スラ〜数十ナノテスラの磁気雑音（以下、「都市ノイ
ズ」という）に埋没してしまい、たとえ地球の活動によ
る数ナノテスラ程度の地磁気変動が発生していたとして
も、それを検出することはほとんど不可能である。

【０００７】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の解決しようとする課題は、都
市ノイズの影響を低減し、周波数が３００ヘルツ以下程
度の極超低周波の微弱磁気変動を計測しうる極超低周波
磁気計測システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る極超低周波磁気計測システムは、極超
低周波磁気を３次元成分ごとに計測する第１磁気計測手
段と、極超低周波磁気を３次元成分ごとに計測する第２
磁気計測手段を有する地域計測ペアを少なくとも２個互
いに離隔させて配置し、前記第１磁気計測手段により計
測された第１磁気データと前記第２磁気計測手段により
計測された第２磁気データとの同一条件での前記３次元
成分ごとの相互相関関数を前記各地域計測ペアごとに算
出することにより、前記各地域ペアごとにその周辺環境
の磁気雑音を低減した前記３次元成分ごとの環境雑音低
減磁気データを算出し、前記環境雑音低減磁気データか
ら少なくとも６個の方程式をたてて解き、前記計測され
た磁気の発生源の位置と、前記計測された磁気の発生源
における磁気の方向と、前記計測された磁気の発生源に
おける磁気の強度を算出するデータ処理手段を備えたこ
とを特徴とする。上記の極超低周波磁気計測システムに
おいては、好ましくは、前記第１磁気計測手段は３次元
の各軸方向に対応して設けられ前記３次元磁気成分を検
出する３次元成分第１検出部を有するとともに、前記第
２磁気計測手段は３次元の各軸方向に対応して設けられ
前記３次元磁気成分を検出する３次元成分第２検出部を
有し、前記同一条件は、前記３次元成分第１計測部の前
記各軸方向と前記３次元成分第２計測部の前記各軸方向
とを地球座標系の３軸方向と平行にすることとする。ま
た、好ましくは、前記地域計測ペアは、５００ないし１
０００キロメートル程度の離隔を配して設置される。ま
た、好ましくは、前記第１磁気計測手段と前記第２磁気
計測手段は、都市又は地域において１０ないし３０キロ
メートル程度の離隔を配して設置される。また、好まし
くは、前記極超低周波磁気の周波数は概ね３００ヘルツ
以下とする。また、好ましくは、前記第１磁気計測手段
及び前記第２磁気計測手段の３次元位置を検出する測位
手段と、前記第１磁気計測手段及び前記第２磁気計測手
段の方向を検出する方向検出手段を備える。また、好ま
しくは、前記第１磁気計測手段と、前記第２磁気計測手
段と、前記データ処理手段の相互間を連絡するデータ伝
送手段を備える。また、好ましくは、前記第１磁気計測
手段により計測された前記同一条件における磁気データ
の前記３次元成分をそれぞれｆx （ｔ）及びｆy （ｔ）
及びｆz（ｔ）とし、前記第２磁気計測手段により計測
された前記同一条件における磁気データの前記３次元成
分をそれぞれｇx （ｔ）及びｇy （ｔ）及びｇz （ｔ）
とした場合に、前記３次元成分ごとの相互相関関数は、
下式

【数４】

【数５】

【数６】により算出されることを特徴とする。また、好ましく
は、前記環境雑音低減磁気データは、前記第１磁気デー
タの３次元成分の前記同一条件でのフーリエ変換と、前
記第２磁気データの３次元成分の前記同一条件でのフー
リエ変換の、各３次元成分ごとの合成積を算出し、その
フーリエ逆変換を算出することにより得る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。図１ないし図
３は、本発明の極超低周波磁気計測システムの一実施形
態である地磁気計測システムの全体構成を示したもので
ある。図１（Ａ）に示すように、この地磁気計測システ
ム１は、複数の地域計測ペアＡ1 〜Ａn （ｎ：自然数）
と、集計分析センターＢと、これらを連絡するデータ伝
送路Ｌ1 〜Ｌn を備えて構成されている。

【００１０】各地域計測ペアＡi （ｉ：１からｎまでの
自然数）は、それぞれ距離Ｄij（ｊ：１からｎまでの自
然数，ｉ≠ｊ）を配して設置されている。各ペア間距離
Ｄijは、５００〜１０００キロメートル程度に設定され
ている。各地域計測ペアＡiと集計分析センターＢとを
結ぶデータ伝送路Ｌi は、電話回線、光ファイバ回線等
の有線回線、あるいはマイクロ波等の無線回線で構成さ
れている。

【００１１】また、図１（Ｂ）に示すように、各地域計
測ペアＡi は、第１計測ユニットａi1と第２計測ユニッ
トａi2を有している。これらの計測ユニットａi1，ａi2
は、距離ｄi を配して設置されている。ユニット間距離
ｄi は、１０〜３０キロメートル程度に設定されてい
る。計測ユニットａi1，ａi2どうしは、データ伝送路Ｌ
i0で連絡されており、このデータ伝送路Ｌi0も、上記の
データ伝送路Ｌi と同様、電話回線、光ファイバ回線等
の有線回線、あるいはマイクロ波等の無線回線で構成さ
れている。集計分析センターＢとの間のデータ伝送路Ｌ
i は、片方の計測ユニットａi1との間に設けられてい
る。これは、逆であってもよく、計測ユニットａi2と集
計分析センターＢとがデータ伝送路Ｌi で連絡されてい
てもよい。

【００１２】上記の各計測ユニットａi1，ａi2は、ある
地域又は都市を挟むようにその辺縁部に設置されるのが
望ましい。また、集計分析センターＢは、複数の地域や
都市の中心となる都市や大学，研究所等の所在する都市
等に設置される。集計・分析センターＢには、コンピュ
ータが設けられている。

【００１３】次に、上記した計測ユニットａi1，ａi2の
構成について説明する。図２に示すように、第１計測ユ
ニットａi1は、第１磁気計測手段である磁気計測ブロッ
ク１０と、位置・方向算出ブロック２０と、地域磁気情
報算出ブロック３０を有している。一方、計測ユニット
ａi2は、第２磁気計測手段である磁気計測ブロック１１
０と、位置・方向算出ブロック１２０と、地域磁気情報
算出ブロック１３０を有している。

【００１４】第１計測ユニットａi1の磁気計測ブロック
１０は、デュワー１１と、ＳＱＵＩＤ磁束計１２を有し
ている。デュワー１１は、プラスチック等からなり、内
部に複数の殻構造を有しており、それぞれの殻と殻との
間に真空層を設けることにより断熱容器を構成してお
り、内部の空間に温度４Ｋ（Ｋ：絶対温度）程度の冷却
媒体である液体ヘリウムＨを収容している。

【００１５】ＳＱＵＩＤ磁束計１２は、ピックアップコ
イル１２ａと、ＳＱＵＩＤチップ１２ｂと、駆動・検出
回路１２ｃを有している。ピックアップコイル１２ａ
は、例えば立方体の互いに直交する面上に設置された３
つの成分検出コイルｃx ，ｃy，ｃz を有している。こ
のピックアップコイル１２ａは、液体ヘリウムＨ中に浸
漬されて温度４Ｋ程度の低温状態に維持され、デュワー
１１の底部付近に設置される。このような構成により、
ピックアップコイル１２ａは、個々の成分検出コイルｃ
x ，ｃy ，ｃz が、地磁気φを、その３次元成分、すな
わちｘ方向成分φx ，ｙ方向成分φy ，ｚ方向成分φz
ごとに捉える。ＳＱＵＩＤチップ１２ｂも、液体ヘリウ
ムＨ中に浸漬されて温度４Ｋ程度の低温状態に維持さ
れ、ピックアップコイル１２ａの出力側に接続される。
このＳＱＵＩＤチップ１２ｂにおいては、ピックアップ
コイル１２ａの各成分検出コイルｃx ，ｃy ，ｃz ごと
にｄｃ−ＳＱＵＩＤが接続されており、ピックアップコ
イル１２ａが捉えた各３次元成分ごとの磁束を検出す
る。駆動・検出回路１２ｃは、デュワー１１の外部に設
けられる。駆動・検出回路１２は、３個のｄｃ−ＳＱＵ
ＩＤに対応して３系統設けられ、磁気の３次元成分ごと
にｄｃ−ＳＱＵＩＤを駆動し、検出した磁束をそれぞれ
３次元成分の電気信号として出力する。これらの３次元
成分ごとの計測磁気データは第１磁気データに相当す
る。デュワー１１内に設置後のピックアップコイル１２
ａの各成分検出コイルｃx ，ｃy ，ｃz の位置と方向の
初期値、その方向ごとの感度は、測定等により予め把握
されて、ディジタルデータとして格納されている。

【００１６】ここで、ＳＱＵＩＤ磁束計１２における磁
束検出の原理について説明する。図３に示すように、Ｓ
ＱＵＩＤ磁束計１２は、ピックアップコイル１２ａと、
インプットコイル５１と、ＳＱＵＩＤリング５２と、バ
イアス電流源５５と、増幅器５６と、位相検波器５７
と、増幅器５８と、変調信号源９と、帰還抵抗６０と、
帰還コイル６１を有して構成されている。上記のうち、
ＳＱＵＩＤリング５２とインプットコイル５１と帰還コ
イル６１はＳＱＵＩＤチップ１２ｂを構成している。ま
た、バイアス電流源５５と、増幅器５６と、位相検波器
５７と、増幅器５８と、変調信号源９と、帰還抵抗６０
は、駆動・検出回路１２ｃを構成している。上記は、磁
気の３次元成分の１つの成分、例えばｘ方向成分につい
ての構成であり、他のｙ，ｚ方向成分についても、まっ
たく同様に、それぞれ磁束計が構成されている。

【００１７】インプットコイル５１はピックアップコイ
ル１２ａとループ状に接続されており、ピックアップコ
イル１２ａが捉えた外部磁束をＳＱＵＩＤリング５２に
結合する。ＳＱＵＩＤリング５２は超伝導材料からな
り、その内部に２つのジョセフソン接合５３，５４を有
するｄｃ−ＳＱＵＩＤである。これらのピックアップコ
イル１２ａとインプットコイル５１とＳＱＵＩＤリング
５２は、液体ヘリウム内に浸漬され４Ｋ程度の低温状態
に維持され、超伝導状態になっている。バイアス電流源
５５は、ＳＱＵＩＤリング５２を駆動するための直流の
バイアス電流を印加する。ＳＱＵＩＤリング５２には、
インプットコイル５１を介して、外部磁束、例えば磁気
のｘ方向成分φx が結合されるほか、帰還抵抗６０に流
れる帰還電流Ｉf と変調信号源５９による帰還磁束φf
が結合される。この場合、超伝導状態にあるＳＱＵＩＤ
リング５２に、磁束の通過によりリングを周回する超伝
導電流が誘起され、リング内のジョセフソン接合５３，
５４における量子的な干渉効果により、電圧Ｖ1 が出力
される。この出力電圧Ｖ1 は、増幅器５６で増幅され
る。その後、位相検波器５７において位相検波され、Ｖ
−φ特性の１次微分値ｄＶ／ｄφに比例する直流値を得
る。この直流値を増幅器５８で増幅することにより、印
加された外部磁束の微弱な変化を出力電圧Ｖout の大き
な変化に変換することができる。

【００１８】上記において、位相検波器５７で求められ
たＶ−φ特性の微分値ｄＶ／ｄφに比例した直流電流が
増幅器５８で増幅され、帰還電流Ｉf として帰還コイル
６１に流される。このフィードバック回路により、ＳＱ
ＵＩＤリング５２に加わる全磁束は、Ｖ−φ曲線の１次
微分値ｄＶ／ｄφが零になる点（山あるいは谷）の磁束
値に固定されるので、この状態を「ロックされた」と表
現し、上記のフィードバック回路を、ＦＬＬ（Flux Loc
ked Loop：磁束ロックループ）回路と呼ぶ。このような
ＳＱＵＩＤ磁束計は、その磁束密度分解能が、１０^-6〜
１０^-5φ。／Hz^1/2 （φ。：磁束量子，２．０７×１０
^-15 Ｗｂ）程度、あるいは、２フェムトテスラ／Hz^1/2
程度であり、非常に高感度である。

【００１９】第１計測ユニットａi1の位置・方向算出ブ
ロック２０は、アンテナ２１と、ＧＰＳ受信機２２と、
傾きセンサ２５と、傾き算出部２４と、送信機２３を有
している。アンテナ２１は、地球の上空約２０，２００
キロメートルを１周約１２時間で周回する複数個（１９
９３年現在において２３個）のナブスター（NAVSTAR ）
衛星からの電波を捉える。この電波には、測位情報と絶
体時間情報が含まれている。アンテナ２１で捉えられた
電波は、ＧＰＳ受信機２２によって検波され、この計測
ユニットａi1の地球上における３次元の位置（例えばｘ
1 ，ｙ1 ，ｚ1 で表わされた座標データ）を検出し、デ
ィジタルデータとして出力する。このような測位システ
ムをＧＰＳ（Global Positioning System ）という。Ｇ
ＰＳ受信機２２で検出された計測ユニットａi1の地球上
における３次元位置データは、送信機２３に出力され
る。上記において、アンテナ２１とＧＰＳ受信機２２
は、測位手段を構成している。

【００２０】一方、デュワー１１には傾きセンサ２５が
取り付けられており、デュワー１１の傾きを検出する。
この傾き検出信号は、傾きセンサ２５から傾き算出部２
４に送られ、デュワー１１の傾き（例えば方位角ψ1 ，
天頂角θ1 で表わされた角度データ）を算出し、ディジ
タルデータとして送信機２３に出力する。送信機２３
は、ＳＱＵＩＤ磁束計１２の位置・方向の初期値と、各
方向ごとの感度特性の既知値と、傾きセンサ２５からの
デュワー１１の傾き値（ψ1 ，θ1 ）と、ＧＰＳ受信機
２２から得た計測ユニットａi1の地球上における３次元
位置座標（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）とを、後述するデータ処
理部３３に送る。上記において、傾きセンサ２５と傾き
算出部２４は、方向検出手段を構成している。

【００２１】第１計測ユニットａi1の地磁気情報算出ブ
ロック３０は、ローパスフィルタ３１と、Ａ／Ｄコンバ
ータ３２と、データ処理部３３と、送信機３４を有して
いる。ローパスフィルタ３１は、ＳＱＵＩＤ磁束計１２
を構成する駆動・検出回路１２ｃから出力される磁気検
出信号のうち、高周波成分を除去し、直流（ＤＣ）から
３００ヘルツ程度までの極超低周波成分を出力する。Ａ
／Ｄコンバータ３２は、ローパスフィルタ３１からのア
ナログ出力をディジタル信号に変換する。データ処理部
３３は、コンピュータにより構成され、ＳＱＵＩＤ磁束
計１２からの磁気データと、位置・方向算出ブロック２
０からの位置・方向データとから、データを処理する。

【００２２】次に、第２計測ユニットａi2の構成と作用
について説明する。第２計測ユニットａi2も、基本的に
は、第１計測ユニットａi2と同じ構成を有している。す
なわち、第２計測ユニットａi2の磁気計測ブロック１１
０は、デュワー１１１と、ＳＱＵＩＤ磁束計１１２を有
している。ＳＱＵＩＤ磁束計１１２は、互いに直交する
成分検出コイル（図示せず）を含むピックアップコイル
１１２ａを有している。デュワー１１１及びＳＱＵＩＤ
磁束計１１２のそれぞれの構成及び作用は、上述したデ
ュワー１１及びＳＱＵＩＤ磁束計１２と同様である。ま
た、第２計測ユニットａi2の位置・方向算出ブロック１
２０は、アンテナ１２１と、ＧＰＳ受信機（図示せず）
と、傾きセンサ１２５と、傾き算出部（図示せず）と、
送信機（図示せず）を有しており、これらの構成及び作
用は、上述したアンテナ２１，ＧＰＳ受信機２２，傾き
センサ２５，傾き算出部２４，送信機２３と同様であ
る。

【００２３】第２計測ユニットａi2が第１計測ユニット
ａi1と異なる点は、地磁気情報算出ブロック１３０が、
ローパスフィルタ１３１と、Ａ／Ｄコンバータ１３２
と、送信機１３４のみを有し、データ処理部を持たない
点である。第２計測ユニットａi2におけるピックアップ
コイル１１２ａの位置・方向の初期値と、方向ごとの感
度特性の既知値と、位置・方向算出ブロック１２０内の
傾きセンサ１２５からのデュワー１１１の傾き値（ψ2
，θ2 ）と、位置・方向算出ブロック１２０内のＧＰ
Ｓ受信機（図示せず）から得た第２計測ユニットａi2の
地球上における３次元位置（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）と、Ｓ
ＱＵＩＤ磁束計１１２が検出し極超低周波成分が抽出さ
れた３次元成分ごとの磁気データとを、ディジタルデー
タとして、送信機１３４から第１計測ユニットａi1のデ
ータ処理部３３へ出力する。上記において、ＳＱＵＩＤ
磁束計１１２からの３次元成分ごとの計測磁気データ
は、第２磁気データに相当する。

【００２４】次に、第１計測ユニットａi1のデータ処理
部３３におけるデータの処理や演算の方法について説明
する。まず、第１計測ユニットａi1からの磁気データ
は、一緒に送られてきたＳＱＵＩＤ磁束計１２の傾き方
向データ（ψ1 ，θ1 ）と、ＳＱＵＩＤ磁束計１２の位
置・方向の初期値とから、ＳＱＵＩＤ磁束計１２のピッ
クアップコイル１２ａの各成分検出コイルｃx ，ｃy ，
ｃz のそれぞれの成分方向、すなわち成分検出コイルの
ｘ，ｙ，ｚ方向が地球座標系のｘ，ｙ，ｚ方向と平行な
場合の磁気データに変換される。また、同様にして、第
２計測ユニットａi2からの磁気データは、一緒に送られ
てきたＳＱＵＩＤ磁束計１１２の傾き方向データ（ψ2
，θ2 ）と、ＳＱＵＩＤ磁束計１１２の位置・方向の
初期値とから、ＳＱＵＩＤ磁束計１１２のピックアップ
コイル１１２ａの各成分検出コイルのそれぞれの成分方
向、すなわち成分検出コイルのｘ，ｙ，ｚ方向が地球座
標系のｘ，ｙ，ｚ方向と平行な場合の磁気データに変換
される。したがって、この操作により、第１計測ユニッ
トａi1からの磁気データと第２計測ユニットａi2からの
磁気データは、各ＳＱＵＩＤ磁束計のピックアップコイ
ルの各成分検出コイルが正確なｘ，ｙ，ｚ方向を向いて
いる場合の値にそろえられる。すなわち、この操作によ
り、各計測ユニットからの磁気データは、仮に各計測ユ
ニットにおけるピックアップコイルがそれぞれ異なった
方向を向いていたとしても、同一条件の場合の磁気値、
すなわちピックアップコイルの各成分検出コイルの３次
元の各軸の方向が地球座標系の各３次元軸方向と平行と
なる場合に計測されたであろう磁気値に変換される。上
記において、ピックアップコイル１２ａの各成分検出コ
イルｃx ，ｃy ，ｃz は３次元成分第１計測部に相当
し、ピックアップコイル１１２ａの図示しない各成分検
出コイルは３次元成分第２計測部に相当している。

【００２５】このようにして方向がそろえられた磁気デ
ータ（以下、「整合磁気データ」という）は、３次元の
方向成分を持ち、時刻ｔにより変化する関数である。例
えば、第１計測ユニットａi1からの整合磁気データｆ
（ｔ）は、ｘ方向の成分ｆx （ｔ）と、ｙ方向の成分ｆ
y （ｔ）と、ｚ方向の成分ｆz （ｔ）で表わされ、第２
計測ユニットａi2からの整合磁気データｇ（ｔ）は、ｘ
方向の成分ｇx （ｔ）と、ｙ方向の成分ｇy （ｔ）と、
ｚ方向の成分ｇz （ｔ）で表わされる。

【００２６】これら２つの計測ユニットａi1，ａi2から
の各整合磁気データの各成分ｆx （ｔ），ｆy （ｔ），
ｆz （ｔ），ｇx （ｔ），ｇy （ｔ），ｇz （ｔ）に
は、上述した大きな都市ノイズが含まれていると考えら
れる。この都市ノイズは、２つの計測ユニットａi1，ａ
i2に挟まれる都市などから発生する磁気雑音である。こ
れに対し、２つの計測ユニットａi1，ａi2が狙う地磁気
源は、この都市ノイズ源に比べるとはるかに遠方にある
とみなすことができる。

【００２７】各計測ユニットａi1，ａi2がこの都市をは
さむようにして設置されていることから、比較的近い都
市ノイズ源からのノイズを各計測ユニットａi1，ａi2位
置で計測した値は、大きく異なり、ばらつく。これに対
し、遠方と仮定される磁気源と各計測ユニットａi1，ａ
i2との距離は、その値が大きいことからほぼ等しいとみ
なせる。したがって、目標とする遠方の磁気源からの信
号を各計測ユニットａi1，ａi2位置で計測した値は、ほ
とんど等しく値，位相ともそろう。

【００２８】このような場合、各整合磁気データの各成
分ｆx （ｔ），ｆy （ｔ），ｆz （ｔ），ｇx （ｔ），
ｇy （ｔ），ｇz （ｔ）を確率過程とし、ｘ方向，ｙ方
向，ｚ方向の成分ごとの相互相関関数

【数７】

【数８】

【数９】を算出する。このように、各３次元成分ごとの相互相関
関数をとると、ばらつくノイズ成分は各３次元成分ごと
にキャンセルされ、値と位相のそろった磁気信号の各３
次元成分のみが抽出される。

【００２９】上記の操作を数学的に処理するため、フー
リエ変換を利用する。フーリエ変換とは、時間的に変化
する波形に含まれる周波数ωの分布を示す周波数スペク
トルを算出するために行う数学的変換である。例えば、
第１計測ユニットａi1からの整合磁気データのｘ成分ｆ
x （ｔ）のフーリエ変換Ｆx （ω）は、下式

【数１０】で表わされる。

【００３０】また、第２計測ユニットａi2からの整合磁
気データのｘ成分ｇx （ｔ）のフーリエ変換Ｇx （ω）
は、下式

【数１１】で表わされる。

【００３１】このとき、各整合磁気データのｘ成分ｆx
（ｔ），ｇx （ｔ）の相互相関関数のフーリエ変換Ｈx
（ω）は、フーリエ変換の「合成積の定理」より、下式

【数１２】で表わされる。このＨx （ω）を整合磁気データのｘ成
分ｆx （ｔ），ｇx （ｔ）のクロススペクトルという。

【００３２】図４に、スペクトルＦx （ω），Ｇx
（ω）と、クロススペクトルＨx （ω）を模式的に示
す。このグラフ上で、例えば、Ｆx （ω）上の点Ｐ1 と
Ｇx （ω）上の点Ｐ2 は、都市ノイズによる磁気計測値
を示している。この場合は、クロススペクトルは点Ｐ3
に示すように零となりキャンセルされる。一方、Ｆx
（ω）上の点Ｐ4 とＧx （ω）上の点Ｐ5 は、目標とす
る磁気信号による磁気計測値を示している。この場合
は、クロススペクトルは点Ｐ6 に示すように大きな値と
なって表れる。上記は、整合磁気データのｘ成分ｆx
（ｔ），ｇx （ｔ）についてであり、整合磁気データの
ｙ成分ｆy （ｔ），ｇy （ｔ）、整合磁気データのｚ成
分ｆz （ｔ），ｇz （ｔ）についても、まったく同様の
ことがいえる。

【００３３】第１計測ユニットａi1のデータ処理部３３
は、図示しないＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザ
等を備えており、２つの計測ユニットａi1，ａi2からの
ディジタル磁気データを用いて、磁気の各３次元成分ご
とに近傍の都市ノイズをキャンセルし、各３次元成分ご
とに新たなディジタルデータとして送信機３４に出力す
る。すなわち、第１計測ユニットａi1からのｘ方向の磁
気データｆx （ｔ）と、第２計測ユニットａi2からのｘ
方向の磁気データｇx （ｔ）とから、これらの中の都市
ノイズ成分を除去し、地域計測ペアＡi における新たな
ｘ方向磁気データとして、例えばｈx （ｔ）を送信機３
４に出力するのである。この場合、都市ノイズ成分を除
去して得た新たなｘ方向磁気データｈx （ｔ）は、下式

【数１３】に示すように、上記のｘ方向のクロススペクトルＨx
（ω）をフーリエ逆変換することによって算出すること
ができる。他のｙ，ｚ成分についても同様である。フー
リエ逆変換とは、フーリエ変換の逆変換である。送信機
３４は、都市ノイズを除去した各３次元成分ごとの磁気
データｈx （ｔ），ｈy （ｔ），ｈz （ｔ）をこの都市
又はこの地域の磁気計測データとしてデータ伝送路Ｌi
により集計分析センターＢへ送る。上記の都市ノイズを
除去した各３次元成分ごとの磁気データｈx （ｔ），ｈ
y （ｔ），ｈz （ｔ）は、環境雑音低減磁気データに相
当している。

【００３４】上記のようにして、集計分析センターＢに
は、各地域計測ペアＡi から磁気データｈx （ｔ），ｈ
y （ｔ），ｈz （ｔ）が集められる。この磁気データ
は、時間ｔにより変化する関数であり、時間ｔのほか
に、磁場の位置を示す３次元座標ｘ，ｙ，ｚと、磁場の
方向を示すψ，θと、磁気の強度を示すｉの６個のパラ
メータが含まれている。一般に、変数の個数と同数の方
程式が立てられれば、それらの方程式を解くことによ
り、各変数を決定することが可能である。したがって、
例えば、図５に示すように、２個の地域計測ペアＡ3 ，
Ａ4 を配置し、上記の方法により、各地域計測ペアＡ3
，Ａ4 において地磁気φを測定し、都市ノイズ成分を
キャンセルした地域計測ペアＡ3 の整合磁気データｈx3
（ｔ），ｈy3（ｔ），ｈz3（ｔ）を集計分析センターＢ
に集めるとともに、都市ノイズ成分をキャンセルした地
域計測ペアＡ4 の整合磁気データｈx4（ｔ），ｈy4
（ｔ），ｈz4（ｔ）を集計分析センターＢに集め、これ
ら６つのデータからコンピュータ数値計算等を行って６
個の変数を解けば、磁気発生源Ｘの位置、磁気の方向、
及びその磁気の強度をつきとめることが可能となる。ま
た、地域計測ペアの数が３以上となり、変数の個数６よ
りも方程式の数が多くなった場合は、線形計画法（ＯＲ
法：Operation Research Method ）等により、これらの
方程式を満足する各変数の最適解を決定することが可能
であるし、磁気発生源探求の精度が一層向上する。ま
た、磁気発生源が１個の場合は、上記したように変数の
個数は６個であるが、仮に磁気発生源が２個とすると、
変数の個数は１２個となり、地域計測ペアＡi の個数は
４個必要となる。したがって、地域計測ペアＡi の個数
を増やせば、種々の条件の磁気発生源を探求することが
可能となり、またその精度はさらに向上する。

【００３５】したがって、目標とする磁気発生源を地震
の予想される地域、あるいは火山活動の予想される地域
等とし、地域計測ペアＡi を目標を中心とする半径１０
００キロメートル程度の地域内に配置し、地磁気の監視
を行うことにより、地震や火山活動等の予測も可能にな
ると考えられる。

【００３６】上記において、第１計測ユニットａi1のデ
ータ処理部３３と集計分析センターＢは、データ処理手
段を構成している。また、上記において、データ伝送路
Ｌi及びＬi0と、送信機３４，１３４はデータ伝送手段
を構成している。

【００３７】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３８】例えば、上記実施形態においては、計測す
る極超低周波磁気として地磁気を例に挙げて説明した
が、本発明はこれには限定されず、他の磁気源から発生
し、ｘ，ｙ，ｚ方向の３成分を持つベクトル量の磁気、
例えば、人為的な極超低周波磁気源からの磁気を計測対
象としてもよい。

【００３９】また、上記実施形態においては、磁気の計
測器としてｄｃ−ＳＱＵＩＤを備えたＳＱＵＩＤ磁束計
を用いる例について説明したが、本発明はこれには限定
されず、他の高感度磁束計、例えば、プロトン磁力計、
フラックスゲート磁力計、あるいはｒｆ−ＳＱＵＩＤを
備えたＳＱＵＩＤ磁束計を使用してもよい。また、ＳＱ
ＵＩＤ磁束計の場合においても、高温超伝導体により形
成し維持温度を４Ｋよりも高い温度にしてもよい。そし
て、上記実施形態においては、冷却媒体として液体ヘリ
ウムを用いる例について説明したが、本発明はこれには
限定されず、他の冷却媒体、例えば液体窒素等を用いて
もよい。さらに、上記実施形態においては、ピックアッ
プコイル，インプットコイル，ＳＱＵＩＤチップを冷却
媒体中に浸漬して低温状態とし、超伝導状態を維持する
例について説明したが、本発明はこれには限定されず、
他の方法、例えば冷却装置内に保持することにより低温
状態として超伝導状態にしてもよい。

【００４０】また、上記実施形態においては、磁束計の
地球上における３次元位置を検出する手段としてＧＰＳ
を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定され
ず、他の測位システム、例えば、ロラン、オメガ等の測
位システムなどであってもよい。

【００４１】また、上記実施形態においては、各計測ユ
ニットは、その地点に固定的に設置される例について説
明したが、本発明はこの例には限定されず、各計測ユニ
ットには、自己の現在位置を正確に知りうるＧＰＳによ
る測位手段と、ＳＱＵＩＤ磁束計の傾きを検出しうる傾
きセンサが備えられているので、各計測ユニットを自動
車等の移動体に搭載し、測定位置を変えて磁気計測を行
うことも可能である。

【００４２】また、上記実施形態においては、同一の計
測ペア内の計測ユニットで計測された磁気データの相互
相関関数をとるデータ処理を、一方の計測ユニット内の
データ処理部が行う例について説明したが、本発明はこ
の例には限定されず、すべての生データを集計分析セン
ターに送り、集計分析センターでデータ処理を一元的に
行うようにしてもよい。このような一元的な集計・分析
の場合は、計測ペア内の各ユニットのいずれもが、デー
タ伝送路によって集計・分析センターと結ばれる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る極超
低周波磁気計測システムによれば、極超低周波の磁気を
３次元成分ごとに計測する１対の磁気計測手段からなる
地域計測ペアを少なくとも２個互いに離隔させて配置
し、各ペアの各成分ごとの磁気データの相互相関関数を
同一条件でとることにより、地域計測ペアの配置された
都市や地域での磁気雑音をキャンセルし、各成分ごとの
磁気信号を抽出することができる。また、この抽出デー
タから、磁気発生源を記述する方程式を解き、磁気発生
源の位置と、その磁気の方向と、磁気発生源における磁
気の強度等を算出することができる。したがって、従来
は都市や地域での磁気雑音に埋没して抽出できなかった
地磁気変動を観測することが可能となり、地磁気変動か
ら逆に地震や火山活動等の地球活動を予測する可能性を
探ることができる、等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である地磁気計測システ
ムの構成を示す概念図である。

【図２】図１に示す地磁気計測システムにおける地域計
測ペアのさらに詳細な構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示す地域計測ペアにおけるＳＱＵＩＤ磁
束計のさらに詳細な構成を示す回路図である。

【図４】図１に示す地磁気計測システムのデータ処理部
における演算を説明する概念図である。

【図５】図１に示す地磁気計測システムの作用を説明す
る概念図である。

【符号の説明】

１，１ａ地磁気計測システム１０磁気計測ブロック１１デュワー１２ＳＱＵＩＤ磁束計１２ａピックアップコイル１２ｂＳＱＵＩＤチップ１２ｃ駆動・検出回路２０位置・方向算出ブロック２１アンテナ２２ＧＰＳ受信機２３送信機２４傾き算出部２５傾きセンサ３０地域磁気情報算出ブロック３１ローパスフィルタ３２Ａ／Ｄコンバータ３３データ処理部３４送信機５１インプットコイル５２ＳＱＵＩＤリング５３，５４ジョセフソン接合５５バイアス電流源５６増幅器５７位相検波器５８増幅器５９変調信号源６０帰還抵抗６１帰還コイル１１０磁気計測ブロック１１１デュワー１１２ＳＱＵＩＤ磁束計１１２ａピックアップコイル１１２ｂＳＱＵＩＤチップ１１２ｃ駆動・検出回路１２０位置・方向算出ブロック１２１アンテナ１２５傾きセンサ１３０地域磁気情報算出ブロック１３１ローパスフィルタ１３２Ａ／Ｄコンバータ１３４送信機Ａi 地域計測ペアａij 計測ユニットＢ集計分析センターｃx ｘ成分検出コイルｃy ｙ成分検出コイルｃz ｚ成分検出コイルＨ液体ヘリウムＬi データ伝送路Ｓナブスター衛星Ｘ磁気発生源 φ 地磁気

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 3/08 G01R 33/035 ZAA G01V 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】極超低周波磁気を３次元成分ごとに計測
する第１磁気計測手段と、極超低周波磁気を３次元成分
ごとに計測する第２磁気計測手段を有する地域計測ペア
を少なくとも２個互いに離隔させて配置し、前記第１磁
気計測手段により計測された第１磁気データと前記第２
磁気計測手段により計測された第２磁気データとの同一
条件での前記３次元成分ごとの相互相関関数を前記各地
域計測ペアごとに算出することにより、前記各地域ペア
ごとにその周辺環境の磁気雑音を低減した前記３次元成
分ごとの環境雑音低減磁気データを算出し、前記環境雑
音低減磁気データから少なくとも６個の方程式をたてて
解き、前記計測された磁気の発生源の位置と、前記計測
された磁気の発生源における磁気の方向と、前記計測さ
れた磁気の発生源における磁気の強度を算出するデータ
処理手段を備えたことを特徴とする極超低周波磁気計測
システム。
【請求項２】請求項１記載の極超低周波磁気計測シス
テムにおいて、前記第１磁気計測手段は３次元の各軸方
向に対応して設けられ前記３次元磁気成分を検出する３
次元成分第１検出部を有するとともに、前記第２磁気計
測手段は３次元の各軸方向に対応して設けられ前記３次
元磁気成分を検出する３次元成分第２検出部を有し、前
記同一条件は、前記３次元成分第１計測部の前記各軸方
向と前記３次元成分第２計測部の前記各軸方向とを地球
座標系の３軸方向と平行にすることであることを特徴と
する極超低周波磁気計測システム。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の極超低周波
磁気計測システムにおいて、前記地域計測ペアは、５０
０ないし１０００キロメートル程度の離隔を配して設置
されることを特徴とする極超低周波磁気計測システム。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記第１磁気計測手段と前記第２磁気計測手段は、都市又
は地域において１０ないし３０キロメートル程度の離隔
を配して設置されることを特徴とする極超低周波磁気計
測システム。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記極超低周波磁気の周波数は概ね３００ヘルツ以下であ
ることを特徴とする極超低周波磁気計測システム。
【請求項６】請求項１ないし請求項５のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記第１磁気計測手段及び前記第２磁気計測手段の３次元
位置を検出する測位手段と、前記第１磁気計測手段及び
前記第２磁気計測手段の方向を検出する方向検出手段を
備えたことを特徴とする極超低周波磁気計測システム。
【請求項７】請求項１ないし請求項６のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記第１磁気計測手段と、前記第２磁気計測手段と、前記
データ処理手段の相互間を連絡するデータ伝送手段を備
えたことを特徴とする極超低周波磁気計測システム。
【請求項８】請求項１ないし請求項７のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記第１磁気計測手段により計測された前記同一条件にお
ける磁気データの前記３次元成分をそれぞれｆx （ｔ）
及びｆy （ｔ）及びｆz （ｔ）とし、前記第２磁気計測
手段により計測された前記同一条件における磁気データ
の前記３次元成分をそれぞれｇx （ｔ）及びｇy （ｔ）
及びｇz （ｔ）とした場合に、前記３次元成分ごとの相
互相関関数は、下式【数１】【数２】【数３】により算出されることを特徴とする極超低周波磁気計測
システム。
【請求項９】請求項１ないし請求項８のうちのいずれ
か１項記載の極超低周波磁気計測システムにおいて、前
記環境雑音低減磁気データは、前記第１磁気データの３
次元成分の前記同一条件でのフーリエ変換と、前記第２
磁気データの３次元成分の前記同一条件でのフーリエ変
換の、各３次元成分ごとの合成積を算出し、そのフーリ
エ逆変換を算出することにより得ることを特徴とする極
超低周波磁気計測システム。