JP6127734B2

JP6127734B2 - 水中電界測定装置及び水中電界測定方法

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Publication number: JP6127734B2
Application number: JP2013116163A
Authority: JP
Inventors: 三品　尚登; 尚登三品
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: JP2014235059A

Description

本発明は、対象物（例えば船舶等）の存在により発生する電界を検出可能な電界センサを備えており、対象物の移動方向を推定可能な水中電界測定装置及び水中電界測定方法に関する。

従来、移動する船舶等の磁性体の移動方向及び仰角を推定すべく以下に述べるような方法が提案されてきている。すなわち、磁気モーメントを推定し、磁性体の移動方向及び仰角をパラメータとしてループ処理により各移動方向及び仰角に対応する波形を推定し、推定された波形と実測された磁界の波形との相関が最も高い移動方向を解として決定するという方法が提案されてきている（例えば、特許文献１を参照）。ここで、前記ループ処理の回数は、前記特許文献１の構成では、移動方向は０°〜３５９°、仰角は１°〜９０°の範囲で１°ずつ変化させて移動方向及び仰角に対応する波形をそれぞれ推定するので、３２４００回のループ処理が行われることとなる。

このような方法は、水中を移動する船舶の移動方向を推定する場合にも応用できる。すなわち、電流モーメントを推定し、船舶の移動方向及び仰角をパラメータとしてループ処理により各移動方向及び仰角に対応する波形を推定し、推定された波形と実測された電界の波形との相関が最も高い移動方向を解として決定するという方法を用いることができる。

ところで、水中を移動する船舶の位置を測定すべく、小型のブイ型水中電界測定装置を利用することがある。このような小型の水中電界測定装置は、船に搭載し、持ち運んで使用するようなものであるため、該水中電界測定装置に接続する情報処理装置として高性能なサーバコンピュータを用いることが困難であり、船上に搭載したノートＰＣ等、演算性能が比較的低い情報処理装置に接続して使用される。

しかして、このように演算性能が比較的低い情報処理装置を利用して前述した方法で船舶の移動方向を推定するためには長い時間が必要であるが、船舶の移動方向の推定は船舶が水中電界測定装置近辺を航行中に行う必要がある。その一方で、演算性能が比較的低い情報処理装置を利用した場合には、上述した船舶の移動方向の推定方法を用いると３２４００回のループ処理を完了するのに時間がかかり、船舶の移動方向の推定を船舶が水中電界測定装置近辺を航行中に行えないという不具合が発生し得る。

特開２００７−１６３４６９号公報

本発明は以上の点に着目し、演算性能が比較的低い情報処理装置を利用しても短時間で対象物（例えば船舶等）の移動方向を推定可能な水中電界測定装置を実現することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る水中電界測定装置は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る水中電界測定装置は、少なくともそれぞれ略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの水平軸方向の感度を有し対象物の存在により発生する電界を検出可能な１つの電界センサを備えている水中電界測定装置であって、前記電界センサにより検出された電界の前記２つの水平軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録するとともに電界の大きさを所定時間ごとに時刻と対応付けて記録し、記録された前記電界の大きさの極大値を求め、求められた極大値が検出された時刻の電界の前記２つの水平軸方向成分を合成したものを１８０度反転させたものを対象物の進行方向として特定するという構成を有する。

また、本発明に係る水中電界測定方法は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る水中電界測定方法は、少なくともそれぞれ略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの水平軸方向の感度を有し対象物の存在により発生する電界を検出可能な１つの電界センサを用いた水中電界測定方法であって、前記電界センサにより検出された電界の前記２つの水平軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録するとともに電界の大きさを所定時間ごとに時刻と対応付けて記録し、記録された前記電界の大きさの極大値を求め、求められた極大値が検出された時刻の電界の前記２つの水平軸方向成分を合成したものを１８０度反転させたものを対象物の進行方向として特定するものである。

なお、本発明において、「対象物」とは、船舶等、水上又は水中を移動する磁性体全般を示す概念である。

ここで、本発明は、船舶等、水上又は水中を移動する磁性体(以下、単に「船舶」と称する）の周辺に流れる電流は主に船舶の長辺方向に沿って、すなわち船舶の進行方向に沿って流れ、この電流に起因する水中電界の波形も、船体の長手方向すなわち船体の進行方向に沿う成分が主体となるということ、及び、電界の大きさが極大値となる時刻での電界の２つの軸方向成分を合成したものが船体の進行方向を示すことを利用している。従って、前段で述べたように構成すれば、船舶の存在に伴い発生する電界の前記２つの軸方向成分を所定時刻ごとに記録し、電界の大きさが極大値となる時刻での２つの軸方向成分を求め、この２つの軸方向成分から簡単な処理により多数回のループ処理を行うことなく短時間で船体の進行方向を推定することができる。

船舶の航行位置をも推定できるようにするための構成として、前記電界の２つの軸方向成分の経時変化に基づき対象物が前記電界センサのどちら側を通過したかを決定するものが挙げられる。

本発明によれば、演算性能が比較的低い情報処理装置を利用して短時間で対象物（例えば船舶等）の移動方向を推定可能な水中電界測定装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る水中電界測定装置を示す概略図。同実施形態に係る情報処理装置の機器構成図。同実施形態に係る水中電界測定装置の機能ブロック図。同実施形態に係る電界センサと船舶の進行方向及び位置との関係を示す概略図。同実施形態に係る電界センサが検知する各軸方向の電界の経時変化を示す図。同実施形態に係る電界センサが検知するＸ軸方向及びＹ軸方向の電界の経時変化を示すプロット図。同実施形態に係る電界センサが検知するＸ軸方向及びＹ軸方向の電界の経時変化を示すプロット図。同実施形態に係る情報処理装置が行う処理の流れを示すフローチャート。

本発明の一実施形態を図１〜図８を参照しつつ以下に示す。

本実施形態に係る水中電界測定装置１は、図１に示すように、船舶２から水中に吊り下げられ、それぞれ略水平方向に伸び互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向の感度、及び略鉛直方向に伸びるＺ軸方向の感度を有し対象物である船舶１０の存在により発生する電界を検出可能な水中電界センサ、前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向及び前記Ｚ軸方向を特定するための３軸磁気センサ、及び前記電界センサの揺れを検知するためのジャイロを備えた測定装置本体３と、前記測定装置本体３から出力される信号を受け付ける情報処理装置４とを備えている。

前記測定装置本体３は、信号線を内蔵したケーブル５を介して前記情報処理装置４に接続されている。また、この測定装置本体３は、ロープ８に接続されたフロート６及びおもり７により、海中に吊り下げられた状態に保持されている。そして、この測定装置本体３は、前記電界センサ、前記３軸磁気センサ、及び前記ジャイロを内部に備えている。

前記電界センサは、Ｘ軸用の電界センサ、Ｙ軸用の電界センサ、及びＺ軸用の電界センサからなる従来より周知の３軸電界センサである。Ｘ軸用の電界センサは、対をなす電極と、これら対をなす電極を情報処理装置４に接続する電線とを備えている。Ｙ軸用の電界センサも、対をなす電極と、これら対をなす情報処理装置４に接続する電線とを備えている。そして、Ｚ軸用の磁気センサも、対をなす電極と、これら対をなす電極を情報処理装置４に接続する電線とを備えている。そして、この電界センサからは、各軸方向の電界の強さを示す電界強度信号を前記情報処理装置４に出力する。

前記３軸磁気センサは、電界センサの設置位置、すなわち測定装置本体３の設置位置における３軸磁気を検出し、この３軸磁気の強さをそれぞれ示す磁界強度信号を前記情報処理装置４に出力する。

前記ジャイロは、測定装置本体３の揺れすなわち電界センサの揺れ（Ｐｉｔｃｈ、Ｒｏｌｌ、Ｙａｗ・３軸加速度・３軸角速度）を検出し、揺れの強さを示す揺れ強度信号を前記情報処理装置４に出力する。

一方、前記情報処理装置４は、図２に示すように、ＣＰＵ４ａ、メインメモリ４ｂ、外部記憶装置４ｃ、入出力インタフェース４ｄ等を内蔵し、この入出力インタフェース４ｄに入力装置４ｅ、表示装置４ｆ、通信装置４ｇ等を接続してなるマイクロコンピュータシステムや市販のノートＰＣ等を用いて形成したものである。前記入出力インタフェース４ｄには、前記通信装置４ｇを介して電界強度信号及び方角信号が入力される。また、外部記憶装置４ｃの所定領域には制御プログラムが予め内蔵されており、この制御プログラムをメインメモリ４ｂに読み出してＣＰＵ４ａが実行することにより、この情報処理装置４は以下に述べるような機能を発揮する。すなわちこの情報処理装置４は、図３に示すように、前記電界強度信号が示す電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録する電界成分記録手段４０１、前記電界成分記録手段４０１により記録された前記電界の大きさの極大値を求める極大値算出手段４０２、前記極大値算出手段により求められた極大値が検出された時刻と関連付けられた電界の各方向成分、前記磁界強度信号が示す前記Ｘ軸の南北方向からのズレ、前記Ｙ軸の東西方向からのズレ及び前記Ｚ軸の鉛直方向からのズレ、並びに前記揺れ強度信号が示すＰｉｔｃｈ角、Ｒｏｌｌ角、Ｙａｗ角の大きさに基づき、前記極大値が検出された時刻の前記電界の南北方向成分及び東西方向成分を合成し検知対象の船舶２の進行方向を決定する進行方向決定手段４０３として機能する。

ここで、検知対象の船舶１０の周辺には、図１に示すように、該船舶１０の船底に貼付した亜鉛板１０ａ（又は該船舶２の鉄製の船体）から該船舶１０の後尾に位置する銅合金製のスクリュー１０ｂに向かって、すなわち該船舶１０の進行方向に沿って電流Ｊが発生している。一方、図４に示すように、Ｘ軸の正の方向が北に向かう方向、Ｙ軸の正の方向が東に向かう方向である場合には、例えば前記船舶１０が図４の線Ｎａに示すような電界センサとの位置関係で北すなわちＸ軸の正の方向に向かって進行している場合、電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分は、それぞれ図５の線Ｘ、Ｙ及びＺに示すように時間の経過に伴い変化する。一方、電界の強度は、同図の線Ｓに示すように変化する。すなわち、この電流に起因する水中電界の波形も、船体の進行方向に沿う成分が主体となる。本実施形態に係る制御は、以上に述べた知見と、図６及び図７に示すように、電界の大きさが極大値となる時刻での電界の２つの水平軸方向成分を合成したものを１８０度反転させたものが前記船舶１０の進行方向Ｄを示すという知見とを利用している。なお、前記図６及び図７においては、図４と比較して、Ｘ軸及びＹ軸の方向を反転させて示している。前記図６には、船舶１０が南北方向に進行している場合の電界の水平方向成分の経時変化を示している。さらに詳述すると、同図の（ａ）には、図４の線Ｎａに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が北に向けて進行している場合、同図の（ｂ）には、図４の線Ｎｂに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が北に向けて進行している場合、同図の（ｃ）には、図４の線Ｓａに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が南に向けて進行している場合、同図の（ｄ）には、図４の線Ｓｂに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が南に向けて進行している場合をそれぞれ示している。また、前記図７には、船舶１０が東西方向に進行している場合の電界の水平方向成分の経時変化を示している。さらに詳述すると、同図の（ａ）には、図４の線Ｗａに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が西に向けて進行している場合、同図の（ｂ）には、図４の線Ｗｂに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が西に向けて進行している場合、同図の（ｃ）には、図４の線Ｅａに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が東に向けて進行している場合、同図の（ｄ）には、図４の線Ｅｂに示すような電界センサとの位置関係で船舶１０が東に向けて進行している場合をそれぞれ示している。そして、前記図６及び図７において、実線αは、船舶１０が電界センサに最も接近するまでの電界の経時変化、破線βは、船舶１０が電界センサに最も接近した後の電界の経時変化をそれぞれ示す。

以下、前記制御プログラムによる制御の手順を、フローチャートである図８を参照しつつ述べる。

まず、ステップＳ１において、電界強度信号が示す電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録する。次いで、ステップＳ２において、前記電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分から電界の大きさを算出し、時刻と対応付けて記録する。それから、ステップＳ３においては、ステップＳ１で記録した電界の各軸方向成分、前記磁界強度信号が示す磁界の各軸方向成分、及び前記揺れ強度信号が示すＰｉｔｃｈ角、Ｒｏｌｌ角、Ｙａｗ角の大きさをパラメータとして電界の南北方向成分、東西方向成分及び鉛直方向成分を求めて時刻と対応付けて記録する。さらに、ステップＳ４において、前記電界の大きさの極大値を求め、ステップＳ５において、電界の大きさが極大値となった時刻の電界の水平方向成分すなわち南北方向成分及び東西方向成分に基づき、船舶１０の進行方向を決定する。そして、ステップＳ６において、電界の水平方向成分の経時変化に基づき船舶１０が電界センサのどちら側を通過したのかを決定する。なお、本実施形態では、前記ステップＳ４の処理に先立ち、前記磁界強度信号が示す磁界の各軸方向成分、前記揺れ強度信号が示すジャイロの各軸方向の角速度、及び前記揺れ強度信号が示すジャイロの角速度に基づき、電界センサの揺れに起因する雑音を求めて前記電界強度信号が示す電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分から減算する処理を行っている。また、前記電界強度信号に含まれるホワイトノイズをデジタルフィルタにより除去する処理も行っている。

以上に述べたように、本実施形態によれば、船舶１０の周辺に流れる電流は主に船舶１０の長手方向に沿って、すなわち船舶１０の進行方向に沿って流れ、この電流に起因する水中電界の波形も、船舶１０の長手方向すなわち船舶１０の進行方向に沿う成分が主体となるということを利用し、船舶１０の存在に伴い発生する電界のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分を所定時刻ごとに記録してプロットし、磁界強度信号に基づき各時刻の電界の南北方向成分及び東西方向成分を求め、電界の大きさが極大値となる時刻での電界の南北方向成分及び東西方向成分を合成して船舶１０の進行方向として決定することにより、多数回のループ処理を行うことなく、市販のノートＰＣ等、処理能力が比較的低い情報処理装置４を利用して短時間で船体の進行方向を推定することができる。

また、前記電界の南北方向成分及び東西方向成分の経時変化に基づき船舶１０が前記測定装置本体３すなわち電界センサのどちら側を通過したかを決定するようにしているので、船舶１０の航行位置をも推定できる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、船舶から水中に吊り下げられるタイプの電界センサを利用しているが、ブイにより水中に吊り下げられるタイプの電界センサを利用してもよく、海底に固定して設けられるタイプの電界センサを利用してもよい。

また、上述した実施形態では、略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの軸方向すなわちＸ軸方向及びＹ軸方向の感度に加え、略鉛直方向に伸びるＺ軸方向の感度をも有する３軸電界センサを備えているが、電界センサを水中に移動不能に固定する場合、このような電界センサは略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの軸方向の感度のみを有するものであってももちろんよい。

さらに、水中電界センサの電極間隔は任意であり、例えば、１ｍであってもよく、また、１０ｍであってもよい。

加えて、船舶以外の対象物の進行方向を決定するために本発明の水中電界測定装置又は水中電界測定方法を用いてもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１…水中電界測定装置
３ａ…電界センサ
４…情報処理装置
４０１…電界成分記録手段
４０２…極大値算出手段
４０３…進行方向決定手段

Claims

少なくともそれぞれ略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの軸方向の感度を有し対象物の存在により発生する電界を検出可能な１つの電界センサを備えている水中電界測定装置であって、前記電界センサにより検出された電界の前記２つの軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録するとともに電界の大きさを所定時間ごとに時刻と対応付けて記録し、記録された前記電界の大きさの極大値を求め、求められた極大値が検出された時刻の電界の前記２つの水平軸方向成分を合成したものを１８０度反転させたものを対象物の進行方向として特定することを特徴とする水中電界測定装置。
前記電界の２つの軸方向成分の経時変化に基づき対象物が前記電界センサのどちら側を通過したかを決定する請求項１記載の水中電界測定装置。
少なくともそれぞれ略水平方向に伸びるとともに互いに直交する２つの水平軸方向の感度を有し対象物の存在により発生する電界を検出可能な１つの電界センサを用いた水中電界測定方法であって、前記電界センサにより検出された電界の前記２つの水平軸方向成分を所定時間ごとに時刻と対応付けて記録するとともに電界の大きさを所定時間ごとに時刻と対応付けて記録し、記録された前記電界の大きさの極大値を求め、求められた極大値が検出された時刻の電界の前記２つの水平軸方向成分を合成したものを１８０度反転させたものを対象物の進行方向として特定することを特徴とする水中電界測定方法。