JP7321025B2 - 信号源推定装置、信号源推定システムおよび信号源推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベクトル型磁気センサを用いた信号源推定装置、信号源推定システムおよび信号源推定方法に関する。

従来、地磁気など周辺磁場の大きさを測定する高感度センサとして、光ポンピング磁気センサを例とするスカラセンサが広く用いられている。また、特許文献１には、スカラセンサを用いた信号源推定装置が開示されている。特許文献１に開示された信号源推定装置は、スカラセンサの出力から、信号を検出しオントップとなる時間を出力する信号検出機を備え、信号検出機の出力から、信号源の諸元を推定している。

また、スカラセンサ以外の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子センサ、磁気インピーダンスセンサといった単一方向成分のみに感度を有するベクトル型磁気センサがある。

特開２００１－９１６５８号公報

しかしながら、上記従来の技術は、スカラセンサを使用することを前提としており、ベクトル型磁気センサを使用して信号源を推定することはできないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ベクトル型磁気センサを用いて、信号源を推定することが可能な信号源推定装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る信号源推定装置は、ベクトル型磁気センサの座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定し、ベクトル型磁気センサの出力する磁気信号を絶対座標系に変換する座標系変換部と、磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合することにより、信号源の作り出す磁場を推定する推定部と、推定部の推定結果に基づいて、信号源の作り出す磁場を示す信号を、回転移動成分および平行移動成分に分解する成分分解部と、回転移動成分および平行移動成分を用いて、信号源までの距離および信号源の方向を含む信号源の諸元を算出する処理部と、を備え、処理部は、回転移動成分から、信号源の諸元を抽出する第１の処理部と、平行移動成分から、信号源の諸元を抽出する第２の処理部と、第１の処理部が抽出する諸元と、第２の処理部が抽出する諸元とを統合する統合処理部と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ベクトル型磁気センサを用いて、信号源を推定することが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる信号源推定システムの機能構成を示す図 図１に示す推定部が用いる、理論的に予測される磁気モーメントおよび磁気モーメントが作り出す磁場の一例を示す図 図１に示す処理部の詳細な機能構成を示す図 本発明の実施の形態２にかかる信号源推定システムの機能構成を示す図 本発明の実施の形態１，２にかかる信号源推定装置の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 本発明の実施の形態１，２にかかる信号源推定装置の機能を実現するための制御回路の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる信号源推定装置、信号源推定システムおよび信号源推定方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる信号源推定システム１００の機能構成を示す図である。信号源推定システム１００は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３と、信号源推定装置１０とを有する。信号源推定装置１０は、座標系変換部２と、推定部３と、成分分解部４と、処理部５とを有する。

ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３は、単一方向成分のみに感度を有する磁気センサである。ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３は、例えば、磁気抵抗効果素子センサ、磁気インピーダンスセンサなどである。ベクトル型磁気センサ１－１は、ｘ軸方向成分のみに感度を有し、ベクトル型磁気センサ１－２は、ｙ軸方向成分のみに感度を有し、ベクトル型磁気センサ１－３は、ｚ軸方向成分のみに感度を有する。ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３と、信号源推定装置１０との間は、無線または有線の通信路で接続される。ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３は、検知した磁気を示す磁気信号を信号源推定装置１０に出力する。

座標系変換部２は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の座標系であるセンサ座標系と、絶対座標系との相対的な位置関係を推定する。座標系変換部２は、推定結果を用いて、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号の３軸成分をセンサ座標系から絶対座標系に変換する。ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号の３軸成分は、センサ自身が向く方位の変動に依存するため、絶対座標系への変換が必要となる。座標系変換部２は、座標変換後の磁気信号を推定部３に出力する。

推定部３は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合することにより、信号源の作り出す磁場を推定する。具体的には、推定部３は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場の相関をとり、信号源の作り出す磁場を平行移動成分と回転運動成分の線形結合で表した場合の係数を算出する。推定部３は、推定結果を成分分解部４に出力する。

図２は、図１に示す推定部３が用いる、理論的に予測される磁気モーメント２１および磁気モーメント２１が作り出す磁場２２の一例を示す図である。推定部３は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３が磁気を検知する空間内において、理論的に予測される磁気モーメント２１を想定し、想定した磁気モーメント２１が作り出す磁場２２を算出する。

成分分解部４は、推定部３の推定結果に基づいて、信号源の作り出す磁場を示す信号を、回転運動成分および平行移動成分に分解する。成分分解部４は、回転運動成分および平行移動成分を処理部５に出力する。

処理部５は、回転運動成分および平行移動成分を用いて、信号源の諸元を算出する。ここで処理部５が算出する諸元は、例えば、信号源までの距離と、信号源の方向と、信号源の磁気モーメントと、スラントレンジとを含む。

推定部３が推定結果を継続的に出力し、成分分解部４は推定結果が出力される毎に回転運動成分および平行移動成分を出力し、処理部５は、繰返し推定される信号源の作り出す磁場に基づいて、信号源の諸元を継続的に取得する。これにより、処理部５は、信号源の移動経路および向きを連続的に推定することが可能である。

図３は、図１に示す処理部５の詳細な機能構成を示す図である。処理部５は、回転運動成分を処理する第１の処理部６と、平行移動成分を処理する第２の処理部７と、第１の処理部６の処理結果と第２の処理部７の処理結果とを統合する統合処理部８とを有する。第２の処理部７は、信号検出部７１と、信号源方向推定部７２と、信号源スラントレンジ推定部７３と、信号源磁気モーメント推定部７４とを有する。

第１の処理部６は、回転運動成分から信号源の諸元を抽出する。第２の処理部７は、平行移動成分から信号源の諸元を抽出する。第２の処理部７は、部分空間法または最尤法を用いて、平行移動成分から信号源の諸元を抽出することができる。

部分空間法を用いた手順について説明する。準備するスラントレンジの総数Ｋ、未知のパラメータαの総数Ｐ、学習信号Ｘｒ，α（ｒ＝ｒ１，ｒ２，・・・，ｒｋ；α＝α１，α２，・・・，αＰ）とする。信号検出部７１は、スラントレンジ対応の各カテゴリごとに未知のパラメータαに関する共分散行列のアンサンブル平均Ｒ^(r)を以下の数式（１）を用いて求める。

続いて信号検出部７１は、数式（１）に示す共分散行列Ｒの固有値分解を行って、以下の数式（２）に示す固有ベクトルφを求める。なお数式（２）においてＪは固有ベクトルの数である。

信号検出部７１は、固有空間への射影行列Ｅを、以下に示す数式（３）を用いて求める。数式（３）に示す上付きのＴは、転置を表す。

さらに信号検出部７１は、以下に示す数式（４）を用いて、オントップとなる時間ｔ₀を算出する。ここで、計測データから磁気双極子モーメントをもつ信号源を検出するための照合処理の識別関数は、ＣＬＡＦＩＣ（CLAss－Featuring Information Compression）法と同じ射影長とする。数式（４）のthresholdとは、雑音の信号カテゴリへの射影長の確率密度分布より閾値を求め、その値による閾値処理を実施することを表す。閾値を超える観測区域の中で射影長が最大となる時刻をオントップとなる時間ｔ₀とする。

信号源方向推定部７２は、時間ｔ₀を用いて、信号源方向の推定を行う。ｘの関数Ｆ１（ｘ），Ｆ２（ｘ），Ｆ３（ｘ）、σ，θ，αにより計算される値Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃とする。このとき、信号源の時間変化を表すアンダーソン関数理論式Ｓ（ｔ）は、以下の数式（５）で表される。

ここで、信号源磁気モーメントＭ、信号源推定装置１０の速度Ｖ、スラントレンジｒ₀、地磁気の仰角δ、信号源推定装置１０の進行方位θ、信号源推定装置１０の進行方位θと磁気双極子モーメントとのなす角αとする。信号源方向推定部７２は、上記の数式（５）によりαをパラメータとした規格化関数群への射影長を求め、０～２πの間を探索して最大となるαの値を信号源方向α₀とする。観測信号Ｘ、距離ｒとする。下付のＦはフルベニウスノルムを表し、ｔｒは行列のトレースを表す。このとき、信号源方向α₀は、以下の数式（６）で表される。信号源方向推定部７２は、求めた信号源方向α₀を統合処理部８に出力する。

信号源スラントレンジ推定部７３は、オントップとなる時間ｔ₀を用いて、信号源スラントレンジの推定を行う。アンダーソン関数の時間スケールファクタには、未知のパラメータとしてスラントレンジが単独で寄与している。各カテゴリへの検出処理時の各評価関数の出力値である射影長を内挿することで、信号源スラントレンジ推定部７３は、以下に示す数式（７）を用いて、信号源スラントレンジｒ₀を求めることができる。これにより、信号源方向および信号源磁気モーメントＭの値に依存せず、信号源スラントレンジｒ₀を求めることができる。

信号源磁気モーメント推定部７４は、オントップとなる時間ｔ₀を用いて、信号源磁気モーメントの推定を行う。数式（５）のアンダーソン関数理論式から、ｔ₀，ｒ₀，α₀を用いてＧを以下の数式（８）で表す。

このとき信号の振幅スケールとなる信号源磁気モーメントＭ₀は、疑似逆行列により以下に示す数式（９）で求めることができる。ここで、上付きの＋は疑似逆行列を示し、上付きの－１は、逆行列を表す。

以上、部分空間法を用いる第２の処理部７について説明したが、第２の処理部７は、最尤法を用いて、信号源の諸元を推定してもよい。

統合処理部８は、第１の処理部６が抽出した信号源の諸元と、第２の処理部７が抽出した信号源の諸元との統合処理を行う。これにより、諸元の推定精度を向上させることが可能になる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる信号源推定システム１００Ａの機能構成を示す図である。信号源推定システム１００Ａは、１つのベクトル型磁気センサ１と、信号源推定装置１０とを有する。ベクトル型磁気センサ１は、単一方向成分のみに感度を有する磁気センサである。ベクトル型磁気センサ１は、例えば、磁気抵抗効果素子センサ、磁気インピーダンスセンサなどである。

実施の形態１にかかる信号源推定システム１００が３つのベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３を有するのに対して、信号源推定システム１００Ａは１つのベクトル型磁気センサ１を有する。なお、ベクトル型磁気センサ１は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。図４に示す信号源推定装置１０の機能は、１つのベクトル型磁気センサ１が出力する磁気信号を処理する以外は、図１に示す信号源推定装置１０と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。

続いて、本発明の実施の形態１，２にかかる信号源推定装置１０のハードウェア構成について説明する。信号源推定装置１０の各部の機能は、処理回路により実現される。これらの処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いた制御回路であってもよい。

上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、これらは、図５に示す処理回路９０により実現される。図５は、本発明の実施の形態１，２にかかる信号源推定装置１０の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

上記の処理回路が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図６に示す構成の制御回路９１である。図６は、本発明の実施の形態１，２にかかる信号源推定装置１０の機能を実現するための制御回路９１の構成を示す図である。図５に示すように、制御回路９１は、プロセッサ９２と、メモリ９３とを備える。プロセッサ９２は、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などである。

上記の処理回路が制御回路９１により実現される場合、プロセッサ９２がメモリ９３に記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ９３は、プロセッサ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。

以上説明したように、本発明の実施の形態にかかる信号源推定装置１０は、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定し、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号を絶対座標系に変換し、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の出力する磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合することにより、信号源の作り出す磁場を推定することができる。これにより、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３を用いて、信号源の諸元を推定することができるようになる。なお、信号源推定システム１００Ａの場合、信号源推定装置１０は、ベクトル型磁気センサ１を用いて、信号源の諸元を推定することができる。

ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の各軸の値を合成して、疑似的にスカラセンサとして、従来技術による信号源推定を行うことはできるが、この場合、磁気情報の３軸成分の情報を切り捨ててしまうことになる。これに対して、本実施の形態に示す技術では、ベクトル型磁気センサ１－１，１－２，１－３の磁気信号をそのまま適用可能である。

より具体的には、信号源推定装置１０は、推定部３の推定結果に基づいて、信号源の作り出す磁場を示す信号を、回転運動成分および平行移動成分に分解する成分分解部４を有する。このため、回転運動成分と平行移動成分とを分けて処理することが可能になる。このとき、平行移動成分に関しては、従来のスカラセンサに対して用いていた処理方法を適用することが可能であるため、信号源推定装置１０の開発工数を削減することができる。

また、処理部５は、回転運動成分および平行移動成分を用いて、信号源までの距離および信号源の方向を含む諸元を算出する。このため、相対速度がゼロの場合であっても、信号源の諸元を特定することが可能になる。

また、処理部５は、回転運動成分から信号源の諸元を抽出する第１の処理部６と、平行移動成分から信号源の諸元を抽出する第２の処理部７と、第１の処理部６が抽出する諸元と、第２の処理部７が抽出する諸元とを統合する統合処理部８とを含む。これにより、目標となる信号源の諸元の推定精度を向上させることができる。

また、推定部３は、推定結果を継続的に出力し、成分分解部４は、推定結果が出力される毎に回転運動成分および平行移動成分を出力し、処理部５は、繰返し推定される信号源の作り出す磁場に基づいて、諸元を継続的に取得する。このような構成を有することにより、信号源推定装置１０は、信号源の移動経路および向きを連続的に推定することが可能になる。

なお、上記では、信号源推定装置１０の構成および動作について説明したが、信号源推定装置１０が実行する動作である信号源推定方法として本発明の技術を実現してもよいし、信号源推定装置１０の動作を記述したコンピュータプログラムとして本発明の技術を実現してもよい。また、コンピュータプログラムの提供方法は、記録媒体に記録して提供されてもよいし、通信ネットワークを介して提供されてもよい。

ベクトル型磁気センサ１，１－１，１－２，１－３は、地上空間、地下空間、海中などに設置することができる。ベクトル型磁気センサ１，１－１，１－２，１－３の設置場所は、空、海、山間部などの自然の中であってもよいし、ビルの間などの都市空間であってもよいし、トンネル内、電柱などのインフラ設備であってもよい。また、ベクトル型磁気センサ１，１－１，１－２，１－３は、土地、土地に固定された構造物、インフラ設備などの動かない物体に固定して設置されてもよいし、自動車、ロボット、電車などの動く物体に設置されてもよい。或いは、ベクトル型磁気センサ１，１－１，１－２，１－３は、水に浮くようになっており、海に投げ入れると海を漂うものであってもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１－１，１－２，１－３ ベクトル型磁気センサ、２ 座標系変換部、３ 推定部、４ 成分分解部、５ 処理部、６ 第１の処理部、７ 第２の処理部、８ 統合処理部、１０ 信号源推定装置、２１ 磁気モーメント、２２ 磁場、７１ 信号検出部、７２ 信号源方向推定部、７３ 信号源スラントレンジ推定部、７４ 信号源磁気モーメント推定部、９０ 処理回路、９１ 制御回路、９２ プロセッサ、９３ メモリ、１００，１００Ａ 信号源推定システム。

Claims (6)

1. ベクトル型磁気センサの座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定し、前記ベクトル型磁気センサの出力する磁気信号を絶対座標系に変換する座標系変換部と、
   前記磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合することにより、信号源の作り出す磁場を推定する推定部と、
   前記推定部の推定結果に基づいて、前記信号源の作り出す磁場を示す信号を、回転移動成分および平行移動成分に分解する成分分解部と、
   前記回転移動成分および前記平行移動成分を用いて、前記信号源までの距離および前記信号源の方向を含む前記信号源の諸元を算出する処理部と、
   を備え、
   前記処理部は、
   前記回転移動成分から、前記信号源の諸元を抽出する第１の処理部と、
   前記平行移動成分から、前記信号源の諸元を抽出する第２の処理部と、
   前記第１の処理部が抽出する諸元と、前記第２の処理部が抽出する諸元とを統合する統合処理部と、
   を含むことを特徴とする信号源推定装置。
2. 前記推定部は、推定結果を継続的に出力し、
   前記成分分解部は、前記推定結果が出力される毎に前記回転移動成分および前記平行移動成分を出力し、
   前記処理部は、繰返し推定される前記信号源の作り出す磁場に基づいて、前記諸元を継続的に取得して前記信号源の移動経路および向きを連続的に推定することを特徴とする請求項１に記載の信号源推定装置。
3. ベクトル型磁気センサの座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定し、前記ベクトル型磁気センサの出力する磁気信号を絶対座標系に変換する座標系変換部と、
   前記磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合することにより、信号源の作り出す磁場を推定する推定部と、
   前記推定部の推定結果に基づいて、前記信号源の作り出す磁場を示す信号を、回転移動成分および平行移動成分に分解する成分分解部と、
   前記回転移動成分および前記平行移動成分を用いて、前記信号源までの距離および前記信号源の方向を含む前記信号源の諸元を算出する処理部と、
   を備え、
   前記推定部は、推定結果を継続的に出力し、
   前記成分分解部は、前記推定結果が出力される毎に前記回転移動成分および前記平行移動成分を出力し、
   前記処理部は、繰返し推定される前記信号源の作り出す磁場に基づいて、前記諸元を継続的に取得して前記信号源の移動経路および向きを連続的に推定することを特徴とする信号源推定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の信号源推定装置と、
   前記ベクトル型磁気センサと、
   を備えることを特徴とする信号源推定システム。
5. コンピュータが実行する信号源推定方法であって、
   ベクトル型磁気センサの出力する磁気信号を取得するステップと、
   前記ベクトル型磁気センサの座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定するステップと、
   前記磁気信号を絶対座標系に変換するステップと、
   前記磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合するステップと、
   照合の結果、信号源の作り出す磁場を推定するステップと、
   推定結果に基づいて、前記信号源の作り出す地場を示す信号を、回転移動成分および平行移動成分に分解するステップと、
   前記回転移動成分から、前記信号源までの距離および前記信号源の方向を含む前記信号源の諸元を抽出するステップと、
   前記平行移動成分から、前記信号源の諸元を抽出するステップと、
   前記回転移動成分から抽出する諸元と、前記平行移動成分から抽出する諸元とを統合するステップと、
   を含むことを特徴とする信号源推定方法。
6. コンピュータが実行する信号源推定方法であって、
   ベクトル型磁気センサの出力する磁気信号を取得するステップと、
   前記ベクトル型磁気センサの座標系と絶対座標系との相対的な位置関係を推定するステップと、
   前記磁気信号を絶対座標系に変換するステップと、
   前記磁気信号が示す磁場と、理論的に予測される磁気モーメントが作り出す磁場とを照合するステップと、
   照合の結果、信号源の作り出す磁場を推定するステップと、
   推定結果に基づいて、前記信号源の作り出す地場を示す信号を、回転移動成分および平行移動成分に分解するステップと、
   前記回転移動成分から、前記信号源までの距離および前記信号源の方向を含む前記信号源の諸元を抽出するステップと、
   を含み、
   前記推定結果を継続的に出力し、前記推定結果が出力される毎に前記回転移動成分および前記平行移動成分を出力し、繰り返し推定される前記信号源の作り出す磁場に基づいて、前記諸元を継続的に取得して前記信号源の移動経路および向きを連続的に推定することを特徴とする信号源推定方法。

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