JP5109800B2 - 磁気計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、地磁気中における微小磁気の計測を行う磁気計測装置に関する。

一般に、地磁気の変動よりも微小な磁気を計測する場合、地磁気補償用磁気センサ出力を被補償用磁気センサ出力から引いて地磁気補償を行っており、３軸磁気センサにおいては、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの設置の際、東西南北に関しては地磁気を利用し、鉛直方向に関しては水準器を利用して、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの姿勢を調整し、３軸の方向を一致させている。

また、磁気センサの姿勢を調整するのが困難な場所においては、基準の姿勢の磁気センサで測定した地磁気の３成分より、任意の姿勢の磁気センサで測定した地磁気の３成分の感度軸に対するずれ角を算出し、前記ずれ角に基づいて軸まわりの回転演算を行い、感度軸に対して所望する関係となるように被測定磁界値を変換し、３軸の方向を一致させる磁気測定装置が開示されており（例えば特許文献１参照）、任意の姿勢で設置された地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサを基準姿勢に変換し、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの３軸の方向を一致させている。
特開平７−１９８８０９号公報

上記した従来の一般的な方法で地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの３軸方向を一致させる場合、地磁気及び水準器を使用して合わせる方法では、手間、時間がかかる。また、特許文献１に記載の方法では、任意姿勢の磁気センサから見れば、基準姿勢磁気センサと姿勢が異なっていても、地磁気の３軸の出力が同じになる姿勢が存在するため、任意姿勢の地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサの姿勢を基準姿勢に一致させるのは、困難である。また、基準姿勢の磁気センサが必要なため、従来の一般的な方法と同様に、基準姿勢の磁気センサの姿勢を地磁気及び水準器を使用して合わせる必要があるため、手間、時間がかかる。

この発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、手間、時間をかけずに基準姿勢の磁気センサを設置し、基準姿勢の磁気センサ出力を用いて、任意の姿勢に設置された３軸磁気センサ各軸出力を、磁気的な東西、磁気的な南北、鉛直方向に設置された場合と等価になるように変換し、地磁気補償をなしうる磁気計測装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る磁気計測装置は、地磁気中で動作させる複数個の３軸磁気センサ及び１軸磁気センサからの信号を受信・記憶・信号処理する信号処理器とを具備してなる磁気計測装置において、前記信号処理器に、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸の出力データを、少なくとも１個の鉛直方向に向けた１軸磁気センサの出力データを用いて、３軸磁気センサの各軸を磁気的な東西，磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価なデータに変換するために、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸を中心とした回転演算を行って１軸磁気センサの出力と回転演算後の３軸磁気センサの任意に１軸の出力が一致する回転角及び3軸磁気センサの任意の1軸と1軸磁気センサとの出力一致後の他の2軸出力より求めた、2軸を磁気的東西、磁気的南北に回転する回転角の回転角度係数を基準姿勢変換係数として求める手段と、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサ各軸出力に、前記基準姿勢変換係数を用いて、各軸を中心とした回転演算を行うことにより、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサ各軸出力を磁気的な東西、磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価なデータに変換する手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に係る磁気計測装置は、前記基準姿勢変換後の３軸磁気センサを、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサに分類し、請求項１に係る磁気計測装置の前記信号処理器により、前記変換後の被補償磁気センサ各軸出力データから前記変換後の地磁気補償磁気センサ各軸出力データを減算することにより地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項３に係る磁気計測装置は、請求項２に係る磁気計測装置の前記信号処理器により、前記変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに係数をかけて、前記変換後の被補償用磁気センサの出力データから減算を行い、前記変換後の被補償用磁気センサの各軸の出力データ及び全磁力の出力データの地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、基準となる磁気センサは鉛直方向を向いた１軸磁気センサであり、例えばジンバル機構を有した１軸センサで容易に実現できるので、手間、時間をかけずに容易に設置でき、３軸磁気センサは姿勢を気にせずに、つまり方向を規定することなく設置できるので、姿勢を規定して設置することが困難な場所においても３軸磁気センサを磁気的な東西、磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価で、かつ地磁気補償を行った磁気測定を行なうことが可能となる。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１はこの発明の一実施形態磁気計測装置のシステム構成を示す概略構成図である。
この実施形態磁気計測装置では、１軸磁気センサ（この例では１個であるが、複数個でも良い）１−１及び複数固の３軸磁気センサ（この例では２個であるが、３個以上でも良い）１−２、１−３が配置されている。ここで、１軸センサ１−１はジンバル機構などにより鉛直方向に向けられており、基準姿勢センサと呼ぶ。その他の３軸の磁気センサ１−２、１−３は、それぞれ任意の姿勢で設置されており、任意姿勢センサと呼ぶ。１軸磁気センサ１−１で検出された１軸磁気データ及び３軸磁気センサ１−２〜１−３で検出された３軸の磁気データは、信号処理器２に取り込まれ、記憶されるとともに、データ処理される。

信号処理器２では、図２に示すフロー図の各信号処理を実行する機能を有する。第１の処理として、ステップＳ１において、３軸磁気センサの各軸を磁気的な東西、磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価なデータに変換（基準姿勢変換）するための変換係数（基準姿勢変換係数）の算出計算を３軸磁気センサ毎に行う。次にステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、第２の処理として、基準姿勢変換を行う。ここでは、第１の処理で求めた各磁気センサ毎の基準姿勢変換係数を任意姿勢の３軸磁気センサ１−２、１−３のセンサ毎の出力にそれぞれ適用し、基準姿勢出力に変換する。次にステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、第３の処理として、地磁気補償係数計算を行う。ここでは、地磁気補償を行うために、基準姿勢に変換した３軸磁気センサ１−２、１−３の出力を地磁気補償用出力及び被補償用出力に分類し、被補償用磁気データから地磁気補償用磁気データを引く際の地磁気補償用磁気データの振幅、オフセットの地磁気補償係数を求める。次にステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４において、第４の処理として、地磁気補償を行う。ここでは、第３の処理で求めた地磁気補償係数を用いて地磁気補償を行う。

以下に、第１の処理から第４の処理の詳細を説明する。

先ず、第１の処理、基準姿勢変換係数計算について説明する。処理の詳細は図５に示すフロー図を参照して説明する。図３に示すように、任意姿勢磁気センサのＺ軸と地磁気Ｈのなす角をθｎ、任意姿勢磁気センサのＸ軸と地磁気ＨのＸY平面成分のなす角をφｎ、任意姿勢磁気センサのＺ軸まわりの回転角をψｎとする。また姿勢の変換に関しては、式（１）に示す各軸周りの回転に関する一般式を用いる。式（１）の回転方向を図４に示す。図４において、（ａ）はＸ軸周りの回転を、（ｂ）はＹ軸周りの回転を、（ｃ）はＺ軸周りの回転を示す。

先ず処理開始のステップＳＴ１１において、任意姿勢の３軸磁気データＨｘ^、、Ｈｙ^、、Ｈｚ^、を読み込み、式（２）を用いて、時刻ｔにおけるθｎ、φｎを求める。この角度θｎ、φｎは、基準姿勢変換係数の一つである。

なお、θｎは、式（３）に示すように、Ｈｘ^、、Ｈｙ^、、Ｈｚ^、をＺ軸周りにφｎ回転したＨｘ_φ ^、、Ｈｙ_φ ^、、Ｈｚ_φ ^、を用いて求める。Ｚ軸周りの回転は、図９に示す矢印の方向で行う。

次に、ステップＳＴ１２へ移行する。
ステップＳＴ１２においては、ステップＳＴ１１において求めたφｎ、θｎを用いて式（３）、式（４）により、時系列に入力される任意姿勢３軸磁気データＨｘ^、、Ｈｙ^、、Ｈｚ^、をＺ軸周りにφｎ，Ｙ軸周りにθｎの順に回転させ（変換１と呼ぶ）、Ｈｘ_θ ^、、Ｈｙ_θ ^、、Ｈｚ_θ ^、を用いて求める。ここでのＹ軸周りの回転は、図１０に示す矢印の方向で行う。

次に、ステップＳＴ１３へ移行する。

ステップＳＴ１３においては、ステップＳＴ１２で求めたＨｘ_θ ^、、Ｈｙ_θ ^、、Ｈｚ_θ ^、を式（５）を用いてＺ軸周りにψｎ回転させ（変換２と呼ぶ）、Ｈｘ_ψ ^、、Ｈｙ_ψ ^、、Ｈｚ_ψ ^、を得る。ここでのＺ軸周りの回転は図１１で示す態様で行う。つまり、このときの回転角ψｎは、ステップＳＴ１３〜ステップＳＴ１６までのループ処理において、たとえば０．１°ステップで０°〜３５９．９°まで変化させる。具体的には１回目のループ処理においては、ψｎは０．０で、２回目のループ処理においてはψｎは、０．１とする。

次に、ステップＳＴ１４へ移行する。

ステップＳＴ１４においては、伏角θｆを予め求めておき、ステップＳＴ１３で求めたＨｘ_ψ ^、、Ｈｙ_ψ ^、、Ｈｚ_ψ ^、を式（６）を用いてＹ軸周りに（９０−θｆ）回転させ（変換３と呼ぶ）、Ｈｘ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｙ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｚ_{（９０−θｆ）} ^、を求める。ここで伏角θｆは、図１２に示すように、計測地点において地磁気Ｈが水平面から鉛直軸へなす角である。

次に、ステップＳＴ１５へ移行する。

ステップＳＴ１５においては、ステップＳＴ１４で求めたＨｚ_{（９０−θｆ）} ^、及び１軸磁気データＨｚを用いて．ＨｚとＨｚ_{（９０−θｆ）} ^、の誤差を式（７）を用いて求める。なお、このステップにおいては、ψｎを０．１°ずつ変化させて求める誤差が、それまでの最小分と比較し、今回が最小の場合に、この時に角度ψｎを、誤差が最小となる角度ψｎであるとして出力する。

次に、ステップＳＴ１６へ移行する。

ステップＳＴ１６においては、ψｎが３５９．９までカウントされたかどうかをチェックし、カウントされていない場合は、ステップＳＴ１３に戻り、ψｎを０．１°カウントアップする。ψｎが３５９．９までカウントされている場合は、基準姿勢変換係数算出計算を終了する。この時点で得られる誤差が最小となる角度ψｎも基準姿勢変換係数である。

次に、ステップＳＴ１7へ移行する。

ステップＳＴ１７においては、ステップＳＴ１４において求めた変換３後の３軸磁気データのうちのＨｘ_{（９０−θｆ）‘、}Ｈｙ_{（９０−θｆ）’}より、磁気的な北に対する方位θｄｉｒを式（８）を用いて求める。θｄｉｒも基準姿勢変換係数である。

続いて、第２の処理における基準姿勢変換過程を図６に示すフロー図を参照して説明する。

先ず処理開始のステップＳＴ２１においては、任意姿勢３軸磁気センサデータ及び第１の処理にて求めた基準姿勢変換係数θｎ、φｎを読み込み、式（３）及び式（４）を用いて、任意姿勢３軸磁気センサデータＨｘ^、、Ｈｙ^、、Ｈｚ^、をＺ軸周りにφｎ、Ｙ軸周りにθｎの順に回転させ、変換１後の３軸磁気センサデータＨｘ_θ ^、、Ｈｙ_θ ^、、Ｈｚ_θ ^、を求める。

次に、ステップＳＴ２２へ移行する。

ステップＳＴ２２においては、第１の処理にて求めた基準姿勢変換係数ψｎを読み込み、ステップＳＴ２１で求めたＨｘ_θ ^、、Ｈｙ_θ ^、、Ｈｚ_θ ^、を式（５）を用いてＺ軸周りにψｎ回転させ、変換２後の３軸磁気センサデータＨｘ_ψ ^、、Ｈｙ_ψ ^、、Ｈｚ_ψ ^、を得る。

次に、ステップＳＴ２３へ移行する。

ステップＳＴ２３においては、ステップＳＴ２２において求めたＨｘ_ψ ^、、Ｈｙ_ψ ^、、Ｈｚ_ψ ^、を式（６）を用いてＹ軸周りに（９０−θｆ）回転させ変換３後の３軸磁気センサデータＨｘ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｙ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｚ_{（９０−θｆ）} ^、を求める。

次に、ステップＳＴ２４へ移行する。

ステップＳＴ２４においては、第１の処理において求めた基準姿勢変換係数θｄｉｒを読み込み、ステップＳＴ２３で求めたＨｘ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｙ_{（９０−θｆ）} ^、、Ｈｚ_{（９０−θｆ）} ^、を式（９）を用いてＺ軸周りにθｄｉｒ回転させ、３軸磁気センサの各軸を磁気的な東西,磁気的な南北及び鉛直区方向に向けたＨｘ^゛、Ｈｙ^゛、Ｈｚ^゛を得る。

続いて、第３の処理における地磁気補償過程を図７に示すフロー図を参照して説明する。

先ず処理開始のステップＳＴ３１においては、基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気データを読み込む。

次に、ステップＳＴ３２へ移行する。

ステップＳＴ３２においては、基準姿勢変換後の被補償用磁気データを読み込む。

次に、ステップＳＴ３３へ移行する。

ステップＳＴ３３においては、地磁気補償係数をステップＳＴ３１と、ステップＳＴ３２で読み込んだデータから最小自乗法を用いて３軸分の地磁気補償係数を求める。地磁気補償係数α、βは式（１０）を演算実行して求める。

なお、Ｎはデータ数、Hx₀’は被補償用磁気データ、Hx_１ ^’は地磁気補償用磁気データを示す。また、Ｙ、Ｚ軸についても、式（８）と同様に求める。

最後に、第４の処理における地磁気補償計算の処理過程を図８に示すフロー図を参照して説明する。

先ずステップＳＴ４１において、地磁気補償係数を読み込む。

次に、ステップＳＴ４２へ移行する。

ステップＳＴ４２においては、基準姿勢変換後地磁気補償用磁気データを取り込む。

次にステップＳＴ４３へ移行する。

ステップＳＴ４３においては、基準姿勢変換後被補償用磁気データを取り込む。

次にステップＳＴ４４に移行する。

ステップＳＴ４４おいては、基準姿勢変換後被補償用磁気データから、基準姿勢変換後地磁気補償用磁気データに地磁気補償係数をかけた結果を引く。地磁気補償データは、次の式（１１）を演算実行して求める。

ここで、Hｘ₀ ^’は被補償用磁気データ、Hｘ₁ ^’は地磁気補償用磁気データ、Hｘ₂ ^’は地磁気補償結果を示す。Ｙ軸、Ｚ軸についても同様に求める。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明における信号処理器２は、上記第１の処理及び第２の処理のみを実行可能に構成されているもの、及び、上記第１〜第４の処理を全て実行可能に構成されているもののいずれであってもよい。ただし、第１〜第４の処理をすべて実行可能に構成されている信号処理装器２を採用すれば、地磁気補償を行うことができるため、微小磁気計測が可能となる。また、上記実施形態において、基準姿勢変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに地磁気補償係数α、β等をかけて減算することとしたが、係数を掛けることなく減算することとしても良い。ただし、上記実施形態のように求めた地磁気補償係数を掛けて減算することにより、地磁気補償の精度を向上させることが可能となる。

この発明の一実施形態磁気計測装置のシステム構成を示す概略図である。 同実施形態磁気計測装置の処理概要を説明する図である。 地磁気と３軸感度軸の位置関係と説明する図である。 ３軸まわりの回転移動を説明する図である。 上実施形態磁気計測装置における基準姿勢変更係数計算の処理過程を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における基準姿勢変換の処理過程変換を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における地磁気補償係数計算の処理過程を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置における地磁気補償の処理過程を説明するフロー図である。 同実施形態磁気計測装置におけるＺ軸周りのφｎの回転を説明する図である。 同実施形態磁気計測装置におけるＹ軸周りのθｎの回転を説明する図である。 同実施形態磁気計測装置におけるＺ軸周りの小刻みな角度ψｎの回転を説明する図である。 同実施形態磁気計測装置における伏角θｆを説明する図である。

符号の説明

１−１ 基準姿勢センサ
１−２、１−３ 任意姿勢センサ
２ 信号処理器

Claims (3)

1. 地磁気中で動作させる複数個の３軸磁気センサ及び１軸磁気センサからの信号を受信・記憶・信号処理する信号処理器とを具備してなる磁気計測装置において、
   前記信号処理器に、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸の出力データを、少なくとも１個の鉛直方向に向けた１軸磁気センサの出力データを用いて、３軸磁気センサの各軸を磁気的な東西，磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価なデータに変換するために、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサの各軸を中心とした回転演算を行って１軸磁気センサの出力と回転演算後の３軸磁気センサの任意の１軸の出力が一致する回転角及び３軸磁気センサの任意の１軸が１軸磁気センサの出力に一致後の３軸磁気センサの他の２軸を用いて求めた磁気的な東西、南北へ回転する回転角の回転角度係数（基準姿勢変換係数）を求める手段と、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサ各軸出力に、前記基準姿勢変換係数を用いて、各軸を中心とした回転演算を行うことにより、任意の姿勢に設置した３軸磁気センサ各軸出力を磁気的な東西、磁気的な南北及び鉛直方向に設置した場合と等価なデータに変換する手段を備えたことを特徴とする磁気計測装置。
2. 前記基準姿勢変換後の３軸磁気センサを、地磁気補償用磁気センサと被補償用磁気センサに分類し、前記信号処理器により、前記変換後の被補償用磁気センサ各軸出力データから前記変換後の地磁気補償用磁気センサ各軸出力データを減算することにより地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気計測装置。
3. 前記信号処理器により、前記変換後の地磁気補償用磁気センサの出力データに係数をかけて、前記変換後の被補償用磁気センサの出力データから減算を行い、前記変換後の被補償用磁気センサの各軸の出力データ及び全磁力の出力データの地磁気補償を行う手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気計測装置。