JP6084821B2

JP6084821B2 - 曳航式電界検出装置

Info

Publication number: JP6084821B2
Application number: JP2012254422A
Authority: JP
Inventors: 小倉　一郎; 一郎小倉; 安人浅野
Original assignee: Ｊｍｕディフェンスシステムズ株式会社; 株式会社Ｓｇｋシステム技研
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: JP2014101031A

Description

本発明は、移動体によって曳航され、海中の電界を検出する曳航式電界検出装置に関する。

従来、移動体によって曳航された磁気検出センサを用いて、移動体から発生する磁気信号を検出する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。また、船舶の接近を検知する方法として、船舶から発生する磁気信号又は音響信号を用いることが知られている。近年、消磁技術の進歩により、船舶から発生する磁気信号が低下しつつある。また、船舶の航行時の静粛化が進んでいる。そのため、海中の電界を検出して船舶の近接等を検知する方法が着目されている。

海中の電界を検出する技術として、電界検出センサを船舶等によって曳航し、海底の鉱脈探査を行うものが開示されている（例えば非特許文献１〜３参照）。

特開２００７−２１８０５４号公報

USGS(U.S.Geological Survey),"Offshore Industrial Mineral Studies Using a Marine Induced-Polarization Streamer System",［online］,［2012年10月1日検索］,インターネット〈URL：http://pubs.usgs.gov/info/offshore/〉 Thales Australia,"AMAS ELECTRIC SWEEP",［online］,［2012年10月1日検索］,インターネット〈URL：http://www.thalesgroup.com/Countries/Australia/Documents/AMAS_Electric_Sweep_Brochure/〉 Jeffrey C.Wynn."Titanium geophysics:The application of induced polarization to see-floor mineral explorarion"GEOPHYSICS,VOL.53,MARCH,1988,p.386-401

しかしながら、電界を検出する電界検出センサを移動体によって曳航すると、導電性媒質である海水中を電界検出センサが移動する。このような移動は、地磁気及び船舶から発生する磁界を横切ることとなり、電磁誘導によって誘導起電力が生じる。そのため、この誘導起電力を要因とする電界ノイズが生じ、船舶から生じる電界信号に重畳する。その結果、電界信号を精度良く検出することができない、という問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、海中の電界を精度良く検出することができる曳航式電界検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る曳航式電界検出装置は、移動体によって曳航され、海中の電界を検出する、曳航式電界検出装置であって、軸上の２点間の電位差から前記軸方向の電界を検出する１軸電界検出手段と、当該曳航式電界検出装置の曳航方向の速度と、該曳航方向と直交する方向の海水の速度とを検出する速度検出手段と、前記速度検出手段の検出結果に基づき、前記曳航方向の速度と前記海水の速度とを合成した速度ベクトルと、前記１軸電界検出手段の前記軸方向とのなす角度を求める角度補正量算出手段と、前記角度補正量算出手段が求めた前記角度に基づき、前記１軸電界検出手段の前記軸の向きを、前記速度ベクトルと平行とするように駆動する角度補正機構とを備え、前記軸方向を、当該曳航式電界検出装置の移動方向と平行になるようにしたことを特徴とする。

本発明は、１軸電界検出手段の軸方向を、曳航式電界検出装置の移動方向と平行に配置したので、海中の電界を精度良く検出することができる。

実施の形態１に係る曳航式電界検出装置１を曳航する様子を示す図である。実施の形態１に係る曳航式電界検出装置１の構成を示す図である。船舶から生じる電界信号と磁界信号とを示す図である。実施の形態１に係る１軸電界検出センサ１０の軸方向と電界ノイズとの関係を説明する図である。１軸電界検出センサ１０の軸方向が曳航方向と平行でない場合の電界ノイズを説明する図である。実施の形態２に係る曳航式電界検出装置１の機能ブロック図である。潮流の影響により生じる電界ノイズを説明する図である。実施の形態２に係る角度補正機構１５による軸の駆動を示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る曳航式電界検出装置１を曳航する様子を示す図である。
図２は、実施の形態１に係る曳航式電界検出装置１の構成を示す図である。
図１及び図２に示すように、曳航式電界検出装置１は、海面を航行する船舶２０（曳航船）と曳航ケーブル２１により接続され、船舶２０によって曳航されて海中の電界を検出するものである。なお、ここでは船舶２０によって曳航式電界検出装置１が曳航される場合を説明するが、本発明はこれに限らず、海面又は海中を航行する任意の移動体によって曳航されるものであればよい。また、例えばヘリコプターなど空中を航行する移動体によって曳航式電界検出装置１を曳航しても良い。

曳航式電界検出装置１は、１軸電界検出センサ１０を備えている。１軸電界検出センサ１０は、曳航ケーブル２１を接続する筐体１２に搭載されている。
１軸電界検出センサ１０は、海水と接する電極１１−１及び１１−２を有している。この１軸電界検出センサ１０は、電極１１−１及び１１−２の２点間の電位差と、電極間の距離とから、電極１１−１及び１１−２の軸方向（２つの電極を結ぶ方向）の電界を検出する。また、１軸電界検出センサ１０の電極１１−１及び１１−２の軸方向は、曳航式電界検出装置１の曳航方向と平行となるように配置されている。即ち、電極１１−１における電位をφ１、電極１１−２における電位をφ２とし、電極間の距離をｄｘとすると、曳航方向における海中の電界Ｅｘは、Ｅｘ＝（φ１−φ２）／ｄｘ、となる。

この曳航式電界検出装置１は、船舶等の移動体（曳航船以外の船舶を含む）から発生する電界信号を検出することにより、船舶等の接近を検出する移動体検出装置に適用できる。即ち、海水は電解質溶液であるために海水中に異種金属が存在すると、電位差を生じる。この場合、イオン化傾向が大きい金属からイオン化傾向が小さい金属に電流が流れ、陽極表面が腐食する。船舶においては、例えば船体外板が陽極（鉄鋼）、プロペラが陰極（銅合金等）となり、プロペラ主軸を介して船体外板へ電流が戻ってくることにより閉回路が構成される。この電流が腐食電流である。また、このような腐食電流による金属の腐食を防止するため、防食電流を流すこともある。そのため、例えば海水に電流を流すための保護亜鉛や白金等の陽極電極が船体に設けられる。また、船尾部分に設けられているプロペラ、舵等は、海水を介して電流が流れ込む（電流を吸い込む）ための陰極電極として機能する。そして、これらは海水を流れる電流に対して、電流源となり、移動体近傍には電界信号が発生する。この電界信号により船舶等の移動体の接近を検知する場合には、検出する海中の電界方向は１軸方向のみ検出すれば良い。

次に、曳航式電界検出装置１の移動により発生する電界ノイズについて説明する。

図３は、船舶から生じる電界信号と磁界信号とを示す図である。
曳航式電界検出装置１が曳航されると、導電性媒質である海水中を１軸電界検出センサ１０が移動する。このような移動は、地磁気及び船舶から発生する磁界を横切ることとなり、電磁誘導によって誘導起電力が生じる。この誘導起電力は、１軸電界検出センサ１０によって検出する電界に対するノイズ（電界ノイズＥ’）となり得る。例えば図３に示すように、電界信号発生源となる船舶２０からの電界を検出する場合、この船舶２０から生じる船舶磁界と地磁気とが合成された磁界を横切ることとなる。

誘導起電力ｅは、磁束密度Ｂ及び移動速度ｖに基づいて次式（１）で表される。ここで、磁束密度Ｂ及び移動速度ｖはベクトルであり、誘導起電力ｅは磁束密度Ｂと移動速度ｖとの外積となる。また誘導起電力ｅもベクトルである。ここで、磁束密度Ｂ、移動速度ｖ、誘導起電力ｅの方向は互いに直交する（フレミングの右手の法則）。

図４は、実施の形態１に係る１軸電界検出センサ１０の軸方向と電界ノイズとの関係を説明する図である。
図４において、地磁気及び船舶磁界の合成磁界信号Ｈ（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を、１軸電界検出センサ１０が曳航速度Ｖｘ（ｘ軸方向）で横切る場合の電界ノイズを考える。なお、曳航方向をｘ軸、水平方向をｙ軸、鉛直方向をｚ軸とする。
上記式（１）より、合成磁界信号Ｈに起因する電界ノイズＥ’の各軸成分（ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ）は、以下となる。
ｅｘ＝０
ｅｙ＝Ｖｘ・Ｈｚ
ｅｚ＝Ｖｘ・Ｈｙ

このように、１軸電界検出センサ１０が磁界を横切ることにより生じる誘導起電力ｅは、１軸電界検出センサ１０が検出する電界Ｅｘと直交する成分のみとなる。

以上のように本実施の形態１においては、１軸電界検出センサ１０の電極１１−１及び１１−２の軸方向は、曳航式電界検出装置１の曳航方向と平行となるように配置されているので、１軸電界検出センサ１０により検出する電界Ｅｘに重畳する電界ノイズの影響を低減することができる。よって、海中の電界を精度良く検出することができる曳航式電界検出装置１を得ることができる。

（比較例）
ここで、１軸電界検出センサ１０の電極１１−１及び１１−２の軸方向が、曳航式電界検出装置１の曳航方向と平行でない場合について説明する。
図５は、１軸電界検出センサ１０の軸方向が曳航方向と平行でない場合の電界ノイズを説明する図である。
図５において、１軸電界検出センサ１０の軸方向をｙ軸方向とし、地磁気及び船舶磁界の合成磁界信号Ｈを、１軸電界検出センサ１０が曳航速度Ｖｘ（ｘ軸方向）で横切る場合の電界ノイズを考える。
この場合、ｙ軸方向の電極間の距離をｄｙとすると、１軸電界検出センサ１０により検出される海中の電界Ｅｙは、Ｅｙ＝（φ１−φ２）／ｄｙ、となる。
このとき、Ｅｙには、合成磁界信号Ｈに起因する電界ノイズＥ’のｙ軸成分（ｅｙ＝Ｖｘ・Ｈｚ）が重畳する。即ち、１軸電界検出センサ１０の検出値は、地磁気及び船舶から発生する磁界を横切ることで生じた誘導起電力の影響を受け、検出精度が低下することとなる。

なお、ここでは、１軸電界検出センサ１０の軸方向をｙ軸方向とした場合を説明したが、ｚ軸方向とした場合も同様に、検出された電界Ｅｚには、電界ノイズＥ’のｚ軸成分（ｅｚ＝Ｖｘ・Ｈｙ）が重畳する。また、１軸電界検出センサ１０の軸方向を曳航方向（ｘ軸）と平行でない任意の方向とした場合にも同様に、電界ノイズＥ’のｙ軸成分とｚ軸成分とが合成されたノイズが重畳することとなる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、潮流の影響を考慮して、更に、海中の電界を精度良く検出することができる曳航式電界検出装置１について説明する。

図６は、実施の形態２に係る曳航式電界検出装置１の機能ブロック図である。
図６に示すように、実施の形態２に係る曳航式電界検出装置１は、１軸電界検出センサ１０と、２軸潮流計１３と、角度補正量算出手段１４と、角度補正機構１５とを備えている。なお、２軸潮流計１３は、本発明における「速度検出手段」に相当する。

２軸潮流計１３は、当該曳航式電界検出装置１の曳航方向の速度（曳航速度）と、曳航方向と直交する方向の海水の速度（潮流速度）とを検出する。
角度補正量算出手段１４は、２軸潮流計１３の検出結果に基づき、曳航方向の速度と海水の速度とを合成した速度ベクトル（合成速度ベクトル）と、１軸電界検出センサ１０の軸方向とのなす角度θを求める。
角度補正機構１５は、角度補正量算出手段１４が求めた角度θに基づき、１軸電界検出センサ１０の軸の向きを駆動する。

図７は、潮流の影響により生じる電界ノイズを説明する図である。
船舶２０によって曳航される曳航式電界検出装置１は、潮流によって、曳航方向以外の方向に移動する場合がある。この移動によっても、１軸電界検出センサ１０は、地磁気及び船舶から発生する磁界を横切ることとなり、電磁誘導によって誘導起電力が生じる。
図７に示す例では、曳航式電界検出装置１が船舶２０によってｘ軸方向に曳航されつつ、潮流によってｙ軸方向にも移動している場合を示している。

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、曳航式電界検出装置１が潮流の影響を受けると、曳航式電界検出装置１は、曳航速度Ｖｘと潮流速度Ｖｙとの合成速度ベクトルの方向に移動する。
このように、１軸電界検出センサ１０が潮流速度Ｖｙ（ｙ軸方向）で横切る場合の電界ノイズＥ’の各軸成分（ｅｘ，ｅｙ，ｅｚ）は、上記式（１）より、以下となる。
ｅｘ＝Ｖｙ・Ｈｚ
ｅｙ＝Ｖｘ・Ｈｚ
ｅｚ＝Ｖｘ・Ｈｙ−Ｖｙ・Ｈｘ

このように、潮流の影響を受けて１軸電界検出センサ１０がｙ軸方向に移動すると、１軸電界検出センサ１０が検出する電界Ｅｘには、電界ノイズＥ’のｘ軸成分（ｅｘ＝Ｖｙ・Ｈｚ）が重畳する。

そこで、本実施の形態２の曳航式電界検出装置１は、角度補正量算出手段１４によって、曳航方向（ｘ軸方向）の曳航速度Ｖｘと、この曳航速度に直交する潮流速度Ｖｙとを合成速度ベクトルを求め、この合成速度ベクトルと１軸電界検出センサ１０の軸方向とのなす角度θを求める。そして、角度補正機構１５によって、１軸電界検出センサ１０の軸の向きを駆動する。
これにより、合成速度ベクトルと、１軸電界検出センサ１０の軸方向とが平行となり、１軸電界検出センサ１０が磁界を横切ることにより生じる誘導起電力ｅは、１軸電界検出センサ１０が検出する電界Ｅｘと直交する成分のみとなる。

図８は、実施の形態２に係る角度補正機構１５による軸の駆動を示す図である。
図８に示すように、例えば、角度補正機構１５は、１軸電界検出センサ１０の電極１１−１及び１１−２を、ｘｙ平面上を回動可能に支持するように構成される。
なお、角度補正機構１５の構成は、これに限定されるものではなく、１軸電界検出センサ１０の軸の向きを駆動できるものであればよい。例えば、曳航ケーブル２１と接続される筐体１２の姿勢を制御して、１軸電界検出センサ１０の軸の向きを駆動しても良い。

以上のように本実施の形態２においては、曳航速度Ｖｘと潮流速度Ｖｙを合成速度ベクトルと、１軸電界検出センサ１０の軸方向とのなす角度を補正して、１軸電界検出センサ１０の軸方向が、曳航式電界検出装置１の移動方向と平行となるようにするので、潮流により曳航方向以外に移動する場合であっても、１軸電界検出センサ１０により検出する電界Ｅｘに重畳する電界ノイズの影響を低減することができる。よって、海中の電界を精度良く検出することができる曳航式電界検出装置１を得ることができる。

なお、海中におけるｚ軸方向の潮流の速度は小さいため、本実施の形態２の２軸潮流計１３は、ｙ軸方向の潮流速度を検出しているが、本発明はこれに限らず、ｚ軸方向も加えて、３軸潮流計としても良い。この場合も同様に、曳航速度Ｖｘとｚ軸方向の潮流速度Ｖｚとの合成速度ベクトルと、１軸電界検出センサ１０の軸方向とのなす角度θｚを求め、１軸電界検出センサ１０の軸の向きを、ｘｚ平面上において駆動するようにすることで、ｚ軸方向の移動による電界ノイズの影響を低減できる。

１曳航式電界検出装置、１０１軸電界検出センサ、１１電極、１２筐体、１３２軸潮流計、１４角度補正量算出手段、１５角度補正機構、２０船舶、２１曳航ケーブル。

Claims

移動体によって曳航され、海中の電界を検出する、曳航式電界検出装置であって、
軸上の２点間の電位差から前記軸方向の電界を検出する１軸電界検出手段と、
当該曳航式電界検出装置の曳航方向の速度と、該曳航方向と直交する方向の海水の速度とを検出する速度検出手段と、
前記速度検出手段の検出結果に基づき、前記曳航方向の速度と前記海水の速度とを合成した速度ベクトルと、前記１軸電界検出手段の前記軸方向とのなす角度を求める角度補正量算出手段と、
前記角度補正量算出手段が求めた前記角度に基づき、前記１軸電界検出手段の前記軸の向きを、前記速度ベクトルと平行とするように駆動する角度補正機構と
を備え、
前記軸方向を、当該曳航式電界検出装置の移動方向と平行になるようにした
ことを特徴とする曳航式電界検出装置。