JP5597917B2 - 目標体探査システム - Google Patents

Description

この発明は、電気モーメント又は磁気モーメントとみなすことができる目標体の相対運動方向を探査する目標体探査システムに関する。

従来、航行する艦艇、走行する自動車などの運動中の磁性体の磁気を磁気測定器で測定し、その測定値から、目標体である艦艇、自動車などの移動方向の向きの探査を行っている。

この種の探査を行う磁気測定システムとして、図１３に示すように、同一平面上に２台の磁気センサＤＡ、ＤＢを配置しておき、配置領域内を運動磁性体である艦艇が通過すると、磁気センサＤＡ、ＤＢで艦艇によるＸＹ軸の磁気データを取り込み、ＸＹ磁気から磁気回転角を求め、所定時間経過前後のベクトル回転角の変化から磁気ベクトル回転方向の正負の別を求め、求めた磁気センサＤＡ、ＤＢの磁気ベクトル回転方向の正負の別の組み合わせから艦艇の運動コース１〜４の１つを特定する、例えばセンサＤＡ、ＤＢの磁気回転ベクトル方向がともに正の場合に、運動コース１を特定し、さらに、センサＤＡ、ＤＢの磁気回転ベクトル方向が正、負の場合はコース２を、負、正の場合は、コース３を、負、負の場合はコース４を特定する磁気測定システムが開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００７−７２５３５号公報

上記した特許文献１に記載のシステムは、探査領域が平面であるので、目標体の運動領域が３次元空間である場合に、ＸＹ平面にベクトル回転が生じるだけでなく、ＹＺ平面，ＺＹ平面にもベクトル回転が生じ、特定平面で測定するという前提が崩れ、目標体が任意の空間を運動する場合に、ＸＹ平面のみのベクトル回転方向のみの判断で、正確な判断ができないことがある。つまり、目標体の運動領域が３次元空間である場合に、回転角の変化に極値がある場合が多くあり、この場合ベクトル回転の正負が判別できず、結果として見積もられる運動方向の確実性が小さくなるという問題がある。

また、上記引用文献１に記載のシステムは、２個の磁気センサを異なる箇所に配置して使用しているものである。そのため、磁気センサを複数必要とし、設置領域をある程度確保する必要がある。この点、可能なら、１台の磁気センサで目標体の相対運動方向の向きを限定できることが望ましい。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、目標体が３次元空間を任意に運動する場合に、簡単な構成で、確度高く運動方向を見積もることができる目標体探査システムを提供することを目的とする。

この発明の目標体探査システムは、一つの電気モーメント又は磁気モーメントとみなすことが出来る目標体が相対的に運動する時に発生する電界又は磁界を互いに直交する３軸成分で計測する電界センサ又は磁気センサと、この電界センサ又は磁気センサで計測された電界又は磁気からＸＹ平面ベクトルの角度、ＹＺ平面のベクトルの角度、ＺＸ平面ベクトルの角度を算出するベクトル角度算出手段と、前記ＸＹ平面ベクトル、ＹＺ平面ベクトル及びＺＸ平面ベクトルの時間経過による角度変化から各平面ベクトルの回転の向きを判別する平面ベクトル回転向き判別手段と、前記判別されたＸＹ平面、ＹＺ平面、及びＺＸ平面の各ベクトル回転の向きの組み合わせから前記目標体の運動の向き及び位置を限定する手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の目標体探査システムは、さらに、前記電界センサ又は磁気センサで計測された３軸成分を合成演算する合成値演算手段と、この合成値の時間経過による増加あるいは減少の別を判別する手段と、を備え、前記目標体の運動の向き及び位置を限定する手段は、前記ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面の各ベクトル回転の向きに加え、前記合成値増減の別の組み合わせとから前記目標体の運動の向き及び位置を限定することもできる。

この発明によれば、１平面でなく，ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面の３面において、それぞれ各ベクトルの回転の向きを求め、この各ベクトルの回転角の向きの組み合わせに応じて目標体の運動の向きを限定しているので、１面のベクトル回転を使用の場合に比し、より確実に向きを見積もることができる。しかも目標体の運動方向の限定を１個の磁気センサで実現できるので、設置領域もそれほど必要なく、目標体探査システムは、小型・簡易に構成できる。

また、各ベクトルの回転の向きに加え、さらに３軸合成値の増減の別を併せて組み合わせることにより、さらに、確実性高く目標範囲及び向きを見積もることができる。

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、この発明が実施される磁気測定システム（目標体探査システム）の機器構成を示す概略図である。この磁気測定システムは、３軸の磁気センサ１１と、この磁気センサ１１で測定された磁気データを取り込んで処理を実行するデータ処理器１２とから構成されている。

磁気センサ１１は、図２に示すように、互いに直交して配置されるＸ軸磁気センサ１１ｘ、Ｙ軸磁気センサ１１ｙ、Ｚ軸磁気センサ１１ｚから構成され、データ処理器１２は、磁気センサ１１からの３磁気データを取り込み、所定の処理を実行して、目標体の運動の向き及び位置を限定するデータ処理部１３と、測定データ、処理中の演算データを記憶するメモリ１４と、処理結果を表示する表示部１５とを備えている。

この実施形態磁気測定システムにおいて、目標体の運動方向を見積る際には、磁気センサ１１ｘ、１１ｙ、１１ｚにより３軸の磁気Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚを測定してメモリ１４に記憶する。図３に３軸磁気Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの波形例を示している。

また、図３に示す磁気波形が得られた場合、図４に示すセンサの感度軸と３平面（ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面）を想定し、時間ｔでのＸＹ平面磁気ベクトルの角度θ（ｔ）、ＹＺ平面の磁気ベクトルの角度φ（ｔ）、ＺＸ平面磁気ベクトルの角度ψ（ｔ）を求める。

これらの角度θ（ｔ）、φ（ｔ）、ψ（ｔ）は、図５の（ａ），（ｂ）、（ｃ）に示すものであり、時間ｔでのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の磁気計測値をＢｘ（ｔ）、Ｂｙ（ｔ）、Ｂｚ（ｔ）とすると次式によって計算される。

さらに、任意のｔに対してΔｔ後の角度θ（ｔ＋Δｔ）、φ（ｔ＋Δｔ）、ψ（ｔ＋Δｔ）を求め、θ（ｔ）＜θ（ｔ＋Δｔ）であれば、ベクトルが正の回転であり、θ（ｔ）＞θ（ｔ＋Δｔ）であれば、ベクトルが負の回転であると判別する。

このようにして、ＹＺ平面、ＺＸ平面、ＸＹ平面においても、それぞれベクトルが正回転か負回転であるかを判別し、これらの判別結果の組み合わせから目標体の運動パターンを限定するように構成している。限定する運動パターンは、センサより見てどの方向の範囲に存するかの目標範囲と、どちらの向きに運動しているかの運動方向である。

ここではＸＹ平面を図６に示すように（１）から（８）までの方向に分けて目標範囲を区分している。また運動方向として、図７に示すように、＋Ｘ方向に速度成分を持つ場合、−Ｘ方向に速度成分を持つ場合、＋Ｙ方向に速度成分を持つ場合、−Ｙ方向に速度成分を持つ場合を想定している。３平面の各ベクトル回転角の正負の別の組み合わせによって、区分（１）から区分（８）が目標範囲として可能性があるか可能性無しかを予め設定し、またＸ＋、Ｘ−、Ｙ＋、Ｙ−が運動方向（向き）として可能性あるか可能性無しかを、予め設定している。

図８に、３平面のベクトル回転の判別結果より、目標範囲及び運動方向の可能性有り／無しを判別する表１を示している。この表１の内容がメモリ１４に予め記憶されており、測定時に得られる３平面の回転角の判別結果から、この表１を参照して、目標範囲及び運動方向を限定するように構成している。例えば３平面のベクトル回転がいずれも正である場合は、目標範囲が（１）、（２）、（３）、（４）、（７）、（８）に、運動方向がＹ＋、Ｘ―に限定される。

次に、この実施形態磁気測定システムの処理動作を図９に示すフロー図を参照して説明する。

処理スタートで、ステップＳＴ１において、３軸磁界Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの測定を開始する。次にステップＳＴ２へ移行する。

ステップＳＴ２においては、測定した３軸磁界Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚが一定レベル以上か否か判定する。３軸磁界値が一定レベル以上の場合は、ステップＳＴ３へ移行する。一定レベル以上でない場合は、目標体が測定領域内に存在しないものとして、処理を終了する。

ステップＳＴ３においては時刻ｔをｔ１とし、次にステップＳＴ４へ移行する。ステップＳＴ４においては、ｔ＝ｔ１において測定した３軸磁界値Ｂｘ（ｔ１）、Ｂｙ（ｔ１），Ｂｚ（ｔ１）をメモリ１４に記憶する。続いて、ステップＳＴ５へ移行する。

ステップＳＴ５においては、ｔ＝ｔ１＋Δｔか否か、つまり、時間がｔ１よりΔｔ経過したか否かを判定する。時間ｔがｔ１＋Δｔに達していない場合は、判定ＮＯでステップＳＴ４へ戻る。ステップＳＴ４では、次の測定タイミングで３軸磁界値を測定し、メモリ１４に記憶する。そして、再度ステップＳＴ５へ移行する。

ステップＳＴ５において、ｔ＝ｔ１＋Δｔであるか否か判定し、判定ＹＥＳとなるまで、ステップＳＴ４に戻り、３軸磁界の測定、記憶を続ける。一方、時間がｔ１＋Δｔに達した場合にステップＳＴ６へ移行する。

ステップＳＴ６においては、３軸磁界値Ｂｘ（ｔ１）、Ｂｙ（ｔ１），Ｂｚ（ｔ１）をメモリ１４から読み出して上記式（１）を用いて角度θ（ｔ１）、φ（ｔ１）、ψ（ｔ１）を計算し、またステップＳＴ５においてｔ＝ｔ１＋Δｔかの判定がＹＥＳとなった直前に記憶した３軸磁界値Ｂｘ（ｔ１＋Δｔ）、Ｂｙ（ｔ１＋Δｔ），Ｂｚ（ｔ１＋Δｔ）をメモリ１４から読み出し、同じく上記式（１）を用いて角度θ（ｔ１＋Δｔ）、φ（ｔ１＋Δｔ）、ψ（ｔ１＋Δｔ）を計算する。次にステップＳＴ７へ移行する。

ステップＳＴ７においては
Δθ＝θ（ｔ１＋Δｔ）−θ（ｔ１）
Δφ＝φ（ｔ１＋Δｔ）−φ（ｔ１）
Δψ＝ψ（ｔ１＋Δｔ）−ψ（ｔ１）
を計算し、ＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角Δψを得る。次にステップＳＴ８へ移行する。

ステップＳＴ８においては、計算して得たＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角Δψのそれぞれについて、正負の別を確認する。続いてステップＳＴ９へ移行する。

ステップＳＴ９においては、メモリ１４に記憶している図８の表１の内容を参照して、上記確認したＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角ΔΨの正負をあてはめ、目標範囲及び運動方向を限定する。例えば、ステップＳＴ８において確認した結果、Δθが正、Δφが正、ΔΨが負の場合には、図８の表１においてＮo３に該当し、目標範囲が（１）、（２）、（５）、（６）、（７）、（８）に、運動方向がＸ＋、Ｙ＋に限定される。次にステップＳＴ１０へ移行する。

ステップＳＴ１０においては、限定した結果を出力する。例えば、表示部１５に限定した目標範囲を表示する。

次に、この発明の他の実施形態として、上記した実施形態の磁気測定システムにおいて、さらに次の機能構成を備えた磁気測定システムについて説明する。

この実施形態磁気測定システムでは、３軸合成値Ｂ（ｔ）を次の式（２）で算出し、さらに任意のｔに対してΔｔ後の３軸合成値Ｂ（ｔ＋Δｔ）を算出し、３軸合成値Ｂ（ｔ）に対し３軸合成値（ｔ＋Δｔ）が増加中（図１０のａ参照）であれば目標体がセンサに近づいていると判断し、３軸合成値Ｂ（ｔ＋Δｔ）が減少中（図１０のｂ参照）であれば、目標体がセンサより離れていると判断する。

図１１に、３平面の回転の判別結果と、合成値磁力の増減の別より、目標及び運動方向の可能性有り／無しを判別する表２を示している。この表２の内容がメモリ１４に予め記憶されており、測定時に得られる３平面の回転角の判別結果と、３軸合成値の増減の判別結果から、この表２を参照して、目標範囲、及び運動方向を限定するように構成している。例えば３平面の回転がいずれも正で、３軸合成値が増加の場合は、目標範囲が（１）、（７）、（８）に限定され、運動方向がＹ＋、Ｘ−に限定される。

次に、この実施形態磁気測定システムの処理動作を図１２に示すフロー図を参照して説明する。

この実施形態では、ステップＳＴ１からステップＳＴ６までの処理が、上記実施形態に関する図８のフロー図のステップＳＴ１〜ＳＴ６と同様である。ステップＳＴ６の処理終了後、次にステップＳＴ１１へ移行する。

ステップＳＴ１１においては、メモリ１４に記憶してある３軸磁界値Ｂｘ（ｔ１）、Ｂｙ（ｔ１），Ｂｚ（ｔ１）及び３軸磁界値Ｂｘ（ｔ１＋Δｔ）、Ｂｙ（ｔ１＋Δｔ），Ｂｚ（ｔ１＋Δｔ）をメモリ１４から読み出し、上記式（２）を用いて３軸磁気合成値Ｂｔ（ｔ１）、Ｂｔ（ｔ１＋Δｔ）を計算する。次にステップＳＴ１２へ移行する。

ステップＳＴ１２においては
Δθ＝θ（ｔ１＋Δｔ）−θ（ｔ１）
Δφ＝φ（ｔ１＋Δｔ）−φ（ｔ１）
Δψ＝ψ（ｔ１＋Δｔ）−ψ（ｔ１）
のほか、さらに
ΔＢｔ＝Ｂｔ（ｔ１＋Δｔ）−Ｂｔ（ｔ１）
を計算し、ＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角Δψ及び３軸合成値の変化分ΔＢｔを得る。次にステップＳＴ１３へ移行する。

ステップＳＴ１３においては、計算して得たＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角Δψ及び３軸合成値の変化分ΔＢｔのそれぞれについて、正負の別を確認する。続いてステップＳＴ１４へ移行する。

ステップＳＴ１４においては、図１１に示す表２を参照して、上記確認したＸＹ平面のベクトル回転角Δθ、ＹＺ平面のベクトル回転角Δφ、ＺＸ平面のベクトル回転角Δψ及び３軸合成値の変化分ΔＢｔの正負をあてはめ、目標範囲、及び運動方向の範囲を限定する。例えば、ステップＳＴ１３において確認した結果、Δθが正、Δφが正、Δψが負、ΔＢｔが正（増加）の場合には、図１１の表２においてナンバー５に該当し、目標範囲が（５）、（６）、（７）、運動方向がＸ＋、Ｙ＋に限定される。次にステップＳＴ１５へ移行する。

ステップＳＴ１５においては、限定した結果を出力する。例えば、表示部１５に限定した目標範囲、及び運動方向を表示する。

なお、上記した実施形態磁気測定システムでは、磁気センサとデータ処理器は別体のものを想定しているが、磁気測定器として一体に構成されるものであってもよい。

又、上記した各実施形態では、目標体が磁気モーメントとみなせる磁性体であって、磁気検知器による磁気検知で目標体を探査する場合について説明しているが、一般的に磁気モーメントとによって作られる磁界Ｈ（ｒ）と、電気モーメントによって作られる電界Ｅ（ｒ）は以下のように類似して表される。

ここで、Ｐは電気モーメント，Ｍは磁気モーメント、ε_０は真空中の誘電率、μ_０は真空中の透磁率、ｒは測定位置である。

そのため、本願発明は、目標体が電気モーメントとしてみなすことができる場合も磁気センサに代えて電界センサを用いることにより、目標体を探査する場合にも適用できる。

また、上記実施形態では、磁気センサが所定位置にあり、目標体が移動している場合について説明しているが、本願発明においては、目標体が所定位置にあり、磁気センサ
が移動する場合にも適用できる。

この発明の一実施形態に係る磁気測定システムの機器構成を示す概略図である。 同実施形態磁気測定システムの回路構成を示すブロック図である。 同実施形態磁気測定システムの磁気センサで検知される３軸磁界の波形例を示す図である。 同実施形態磁気測定システムの磁気センサの感度軸と３平面を説明する図である。 同実施形態磁気測定システムで測定する３平面における磁気ベクトル角度を説明する図である。 同実施形態磁気測定システムにおけるＸＹ平面の目標範囲の区分を説明する図である。 同実施形態磁気測定システムにおけるＸＹ平面のＸ方向，Ｙ方向における速度成分について説明する図である。 同実施形態磁気測定システムにおいて３平面のベクトル回転の正負に応じ、目標範囲及び運動方向を限定するのに使用される表１を示す図である。 同実施形態磁気測定システムにおける処理動作説明するフロー図である。 この発明の他の実施形態磁気測定システムにおける３軸磁界の合成値の波形を示す図である。 同実施形態磁気測定システムにおいて３平面のベクトル回転の正負、および磁気合成値の変化の増減の別に応じ、目標範囲、運動方向を限定するのに使用される表２を示す図である。 同実施形態磁気測定システムの処理動作説明するフロー図である。 従来の磁気検知器による目標体探査を説明する図である。

符号の説明

１１ センサ部
１１ｘ Ｘ軸センサ
１１ｙ Ｙ軸セッサ
１１ｚ Ｚ軸センサ
１２ データ処理器
１３ データ処理部
１４ メモリ
１５ 表示部

Claims (2)

1. 一つの電気モーメント又は磁気モーメントとみなすことが出来る目標体が相対的に運動する時に発生する電界又は磁界を互いに直交する３軸成分で計測する電界センサ又は磁気センサと、
   この電界センサ又は磁気センサで計測された電界又は磁気からＸＹ平面ベクトルの角度、ＹＺ平面のベクトルの角度、ＺＸ平面ベクトルの角度を算出するベクトル角度算出手段と、
   前記ＸＹ平面ベクトル、ＹＺ平面のベクトル及びＺＸ平面ベクトルの時間経過による角度変化から各平面ベクトルの回転の向きを判別する平面ベクトル回転向き判別手段と、
   前記判別されたＸＹ平面、ＹＺ平面、及びＺＸ平面の各ベクトル回転の向きの組み合わせから前記目標体の運動の向き及び位置を限定する手段と、
   を備えることを特徴とする目標体探査システム。
2. 前記電界センサ又は磁気センサで計測された３軸成分を合成演算する合成値演算手段と、
   この合成値の時間経過による増加あるいは減少の別を判別する手段と
   、を備え、
   前記目標体の運動の向き及び位置を限定する手段は、前記ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面の各ベクトル回転の向きに加え、前記合成値増減の別の組み合わせから前記目標体の運動の向き及び位置を限定することを特徴とする請求項１記載の目標体探査システム。