JP7621587B2 - 磁気探査方法およびそのシステム - Google Patents

Description

本発明は、地球上又は宇宙において、目視できない探査対象物、例えば土中もしくは水中などに埋没された磁性体を含む探査対象物を、その磁気成分から探査する磁気探査方法およびその磁気探査システムに関する。

地中に埋没された又は水中（海中も含む）に沈下した磁性体を含む探査対象物の位置や大きさを探査する磁気探査方法として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の磁気探査方法は、第１コイルとその第１コイル軸線方向に離間して配置され、この第１コイルとは巻き方向が逆向きの第２コイルを有する磁界センサの出力波形を合成するものである。特許文献１の装置による磁気探査方法は、特許文献１の図６に示されているように、作業者が探査領域を磁界センサを担いで、地中に存在する磁性体を含む探査対象物を探査している。

特開２０２３－００７０７３号公報

しかし、特許文献１の磁気探査方法では、探査対象物以外の磁性体があるとその影響を受けてしまい、探査対象物を正確に探査することができないことがある。

そこで、本発明は、より正確に探査対象物を探査する磁気探査方法およびそのシステムを提供することを目的とする。

本実施形態の磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査方法である。磁気探査方法は、探査対象物が存在すると推定される探査領域に座標系を設定し、該座標系における複数の計測点の磁界ベクトルを移動可能な第１磁界センサにより計測する工程と、探査領域で座標系における参照磁界ベクトルを計測する工程と、計測点で計測した各磁界ベクトルと参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する工程と、計測点ごとのベクトル差分に基づいて、探査対象物の位置を推定する工程と、を有する。

この参照磁界ベクトルを計測する工程は、探査領域及び／又はその近傍に参照磁界ベクトルを計測する参照磁界センサを一つもしくは二つ以上を設置する工程を備え、
一つの参照磁界センサが計測した参照磁界ベクトルを参照磁界ベクトルとみなす、もしくは二つ以上の参照磁界センサが計測した参照磁界ベクトルの平均値を参照磁界ベクトルとみなすことが好ましい。
またベクトル差分を計算する工程は、第１磁界センサにより複数の計測点の磁界ベクトルを計測したそれぞれの時刻と、参照磁界センサが参照磁界ベクトルを計測した時刻とが同期することが好ましい。

本実施形態の磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査方法である。磁気探査方法は、探査対象物が存在すると推定される探査領域に座標系を設定し、該座標系における複数の計測点の探査磁界ベクトルを移動可能な第１磁界センサにより計測する工程と、第１磁界センサで計測された探査磁界ベクトルに基づいて参照磁界ベクトルを計算する工程と、計測点で計測した各探査磁界ベクトルと参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する工程と、計測点ごとのベクトル差分に基づいて、探査対象物の位置を推定する工程と、を有する。

移動可能な第２磁界センサによって、探査領域の磁界ベクトルを複数点計測して、複数点の磁界ベクトルの平均値を参照磁界ベクトルとみなしてもよい。また、第１磁界センサと第２磁界センサとが同一の磁界センサであってもよい。

探査対象物の位置を推定する工程は、計測点ごとに、ベクトル差分を合成する探査対象物のＳ極によるＳ磁界ベクトルとＮ極によるＮ磁界ベクトルとを計算し、計測点と別の計測点との間の距離を計算し、計測点及び別の計測点のＳ磁界ベクトルの交差角度、計測点及び別の計測点のＮ磁界ベクトルの交差角度、及び距離に基づき、探査対象物の位置を推定しても良い。また、探査対象物の位置を推定する工程は、計測点及び別の計測点のＳ磁界ベクトルの交差角度と距離とに基づき、探査対象物のＳ極の位置を推定し、計測点及び別の計測点のＮ磁界ベクトルの交差角度と距離とに基づき、探査対象物のＮ極の位置を推定し、Ｓ極とＮ極との位置に基づいて、探査対象物の大きさを推定しても良い。

本実施形態の磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査システムは、探査対象物が存在すると推定される探査領域に座標系における複数の計測点の探査磁界ベクトルを計測する、移動可能な第１磁界センサと、探査領域で座標系における参照磁界ベクトルを計測する参照磁界センサと、計測点で計測した各探査磁界ベクトルと参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する差分計算部と、計測点ごとのベクトル差分に基づいて、探査対象物の位置を推定する推定部と、を有する。

また本実施形態の磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査システムは、探査対象物が存在すると推定される探査領域に三次元直交座標系における複数の計測点の探査磁界ベクトルを計測する、移動可能な第１磁界センサと、第１磁界センサの探査磁界ベクトルに基づいて、探査領域の参照磁界ベクトルを計算する計算部と、計測点で計測した各探査磁界ベクトルと参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する差分計算部と、計測点ごとのベクトル差分に基づいて、探査対象物の位置を推定する推定部と、を有する。

本発明の磁気探査方法は、より正確に探査対象物の位置を探査することができる。

空中を飛ぶ無人飛行機を使って探査対象物を探査する磁気探査システム１００を示す図である。 磁性体を含む探査対象物がある場合と無い場合との地磁気のイメージ断面図である。 陸上を走る車両により探査対象物を探査する磁気探査システム１１０を示す図である。 参照磁界センサ２０又は探査磁界センサ３０の概念斜視図である。 （Ａ）は磁気探査方法１のフローチャートである。（Ｂ）は探査磁界ベクトルから参照磁界ベクトルを計算する第１例である。（Ｃ）は探査磁界ベクトルから参照磁界ベクトルを計算する第２例である。 磁気探査方法２のフローチャートである。 計測された探査磁界ベクトルＥＦ、参照磁界ベクトルＲＦ、探査対象物ＭＭの磁界ベクトルＭＦ、Ｎ極によって生じる磁界ベクトルＭＮ及びＳ極によって生じる磁界ベクトルＭＳの関連性を示す概念図である。なお、図７は東京都の位置を東側から見た概念図である。 （Ａ）は探査対象物ＭＭによる磁束線上に探査対象物ＭＭによる磁界ベクトルＭＦが存在する概念図である。（Ｂ）は計測点ＳＵ１及びＳＵ２での磁界ベクトルＭＳ及び磁界ベクトルＭＮに基づいて、探査対象物ＭＭの位置と大きさを推定する概念図である。なお、（Ａ）（Ｂ）は東京都の位置を東側から見た概念図である。

以下、出願人は、本発明に係る実施の形態を、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また各図面では実際の寸法通りに描かれていない。

＜第１実施形態＞
＜磁気探査システムの概要１＞
図１は、第１実施形態の磁気探査システム１００の概念図であり、水中ＷＡに沈下した磁性体を含む探査対象物ＭＭを空中を飛ぶ無人飛行機（一般に空中ドローンと呼ばれる。）４５を使って 探査している状態を示している。磁気探査システム１００は、１つ以上の探査磁界センサ３０と、探査磁界センサ３０からの三次元直交座標系（以下、座標系と言う。）の探査磁界ベクトル（以下、探査磁界という。）等を演算するコンピュータ５０とを含んでいる。探査磁界センサ３０は、探査対象物ＭＭが存在すると推定される探査領域の上空で移動できるように、無人飛行機４５に搭載される。探査磁界センサ３０の詳細は後述する。

なおコンピュータ５０は、地表ＳＥに配置されたコンピュータである必要はなく、作業者が携帯するスマートフォンであっても、クラウド上の仮想コンピュータであってもよい。また探査磁界センサ３０が探査磁界を演算するコンピュータ５０を含んでいても良い。

無人飛行機４５は、参照磁界ベクトル（以下、参照磁界という。）用と探査磁界用とで、異なる高さの探査領域を飛行することが好ましい。探査対象物ＭＭを探査するときには、無人飛行機４５は、水面又は地表より高さｈ０で探査領域の面３９を飛行し、探査磁界センサ３０は、探査磁界（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）を出力する。高さｈ０は、作業者もしくは障害物等がなければ、水面もしくは地表より０．５ｍから２ｍ上であればよい。できるだけ探査対象物ＭＭに近い高さで飛行する方が好ましい。なぜなら、探査対象物ＭＭに近い方が探査対象物ＭＭの磁界の影響を受けやすいからである。図１では高さｈ０の探査領域３９に２４点の計測点（探査点）ＳＵが描かれているが、例えば１秒ごとのサンプリング周期で探査磁界センサ３０が探査磁界を出すのであれば、何万点の計測点に達する。

探査磁界センサ３０の探査磁界は、有線通信もしくは無線通信で、コンピュータ５０に送信される。探査磁界センサ３０に通信機能がなくても、探査磁界センサ３０から探査磁界を携帯可能な記録媒体（ＳＤ（登録商標）カード、ＵＳＢメモリ等）に記憶させて、作業者がその記録媒体をコンピュータ５０に接続しても良い。

参照磁界用に無人飛行機４５が飛行するときは、水面又は地表より高さｈ５で探査領域３５を飛行し、探査磁界センサ３０は参照磁界用の探査磁界を出力することが好ましい。高さｈ５は、探査対象物ＭＭによる磁界のひずみが小さくなるようにするため、できるだけ高い上空、例えば２０ｍ以上上空を飛行することが好ましい。高さｈ５の探査領域３５で２４点の計測点ＳＵが描かれているが、実際には何万点の計測点に達する。なお、図１では探査領域３５及び探査領域３９も１つの領域として描かれているが、非常に広い探査領域であれば複数の探査領域に分割してもよい。

コンピュータ５０は探査磁界に基づいて参照磁界を計算する参照磁界計算部５１と、計測点で計測した各探査磁界と参照磁界とのベクトル差分を計算する差分計算部５３と、計測点ごとのベクトル差分に基づいて、探査対象物の位置と大きさとを推定する位置推定部５５とを有している。さらにコンピュータ５０は通信部などを有していても良い。

（地磁気に関して）
出願人は、ここで図２を使って、探査対象物ＭＭにより生じる地磁気の変化について説明する。図１と同様に、探査対象物ＭＭが水中ＷＡに沈下した状態を描いているが、図２ではその断面イメージ図を描いている。図２中、斜めに引いた平行な点線が探査対象物ＭＭの影響が小さい状態（もしくは探査対象物ＭＭが無い状態）の地磁気で、実線の曲線は探査対象物ＭＭによる磁界の歪みを示している。

無人飛行機４５に搭載された探査磁界センサ３０は、高さｈ０の探査領域の面３９内の計測点ＳＵで探査磁界を計測し、その探査磁界を出力する。探査対象物ＭＭが無い状態では、点線で描かれる矢印（ベクトル）のような出力信号ＲＦであり、方向及び大きさがほぼ一定のベクトルである。但し厳密には地磁気は時間・場所等で変化する。一方、探査対象物ＭＭが存在する状態では、実線で描かれるような出力信号ＥＦであり、出力信号ＥＦの方向及び大きさが探査対象物ＭＭに引っ張られるようなベクトルなる。本実施形態では、探査対象物ＭＭの影響がほぼ無い状態又は探査対象物ＭＭの影響を小さくした状態の参照磁界ＲＦと探査対象物ＭＭがある状態の探査磁界ＥＦとのベクトル差分に基づいて、探査対象物ＭＭの位置及び／又は大きさを推定する。

参照磁界ＲＦと探査磁界ＥＦとのベクトル差分の計測点ＳＵが多い方が、探査対象物ＭＭの位置及び／又は大きさを推定する精度が向上する。高さｈ０の探査領域の面３９は１層だけでなく，高さｈ１の探査領域の面３８を含む２層にしたりして、層を増やせば計測点が多くなり、より探査対象物ＭＭの位置及び／又は大きさを推定する精度が向上する。なお、図１及び図２では、探査領域の面の計測点ＳＵの高さが一定である前提で説明されているが、探査領域の高さが計測点ごと変動しても良い。また無人飛行機４５が飛行中、ロール軸、ピッチ軸又はヨー軸を中心に回転することがあり、その際、探査磁界センサ３０もロール軸、ピッチ軸又はヨー軸を中心に回転する。後述するように、設定される座標系に合致するように、探査磁界センサ３０の三軸の出力信号（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）は、補正されることが好ましい。

なお、第１実施形態では、高さｈ５の探査領域３５で複数の計測点での探査磁界に基づいて、参照磁界ＲＦを計算していたが、高さｈ０の探査領域の面３９での探査磁界に基づいて、参照磁界ＲＦを計算することも可能である。

また第１実施形態では、以下の第２実施形態で説明される参照磁界センサ２０が用意されていないが、参照磁界センサ２０が１つ以上用意されてもよい。この参照磁界センサ２０を使って、参照磁界が計測されてもよい。さらに参照磁界センサ２０の参照磁界と、無人飛行機４５に搭載された探査磁界センサ３０の探査磁界との両方に基づいて、参照磁界を計算するようにしても良い。

＜第２実施形態＞
＜磁気探査システムの概要２＞
図３は、第２実施形態の磁気探査システム１１０の概念図であり、地中に埋没された磁性体を含む探査対象物ＭＭを陸上を走る車両４７を使って探査している状態を示している。磁気探査システム１１０は、１つ以上の参照磁界センサ２０と、１つ以上の探査磁界センサ３０と、参照磁界センサ２０の参照磁界又は探査磁界センサ３０の探査磁界に基づいて探査対象物ＭＭの位置を推定するコンピュータ５０とを含んでいる。探査磁界センサ３０は、探査対象物ＭＭが存在すると推定される探査領域を移動できるように、車両４７に搭載される。つまり、第２実施形態では、第１実施形態で用意されていなかった参照磁界センサ２０が用意されている。コンピュータ５０は第１実施形態と同様に、スマートフォンもしくはクラウドコンピュータ等であってもよい。

参照磁界センサ２０は、例えば１秒ごとに参照磁界（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）を出力する。参照磁界センサ２０は、車両４７に搭載された探査磁界センサ３０により探査している間、例えば地表ＳＥに設置される。探査領域が狭い場合には、１つの参照磁界センサ２０が設置されれば足り、探査領域が広い場合には、複数の参照磁界センサ２０が設置されてもよい。図３において、地面ＳＥに参照磁界センサ２０－１から参照磁界センサ２０－４の４つが、例えば１００ｍ間隔の正方形の頂点に設置されている。なお、参照磁界センサ２０は、車両４７が移動する探査領域内に配置されても良いし、探査領域外の近傍に配置されても良い。またいくつかの参照磁界センサ２０が探査領域内で、残りの参照磁界センサ２０が探査領域外であってもよい。

参照磁界センサ２０が地面ＳＥに設置される際、地表の形状によって傾いて設置されたりしてもよい。後述するように、設定される座標系に合致するように、４つの参照磁界センサ２０の三軸の出力信号（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）は、補正される。４つの参照磁界センサ２０の出力信号（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）は、有線通信もしくは無線通信で、コンピュータ５０に送信される。参照磁界センサ２０に通信機能がなくても、参照磁界センサ２０から出力信号を携帯可能な記録媒体に転送させて、作業者がその携帯可能な記録媒体をコンピュータ５０に接続しても良い。

参照磁界センサ２０は、探査磁界センサ３０と同じ構成であってもよく、一定時間ごと（例えば１秒ごと）に出力信号（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）を出力する。探査磁界センサ３０は、車両４７に２以上搭載されてもよく、複数搭載される場合には、探査磁界センサ３０は、できるだけ離れた方が好ましい。なお第１実施形態では、車両４７はラジコンカーを想定しているが、車両４７の代わりに、作業者が探査磁界センサ３０を持って歩いても良い。

第２実施形態では、参照磁界センサ２０が４つ用意された例を示しているが、第１実施形態のように参照磁界センサ２０が無くてもよい。参照磁界センサ２０が無い場合には、車両４７で探査領域の地表を動き回ることで得られた１つの探査磁界センサ３０の探査磁界に基づいて、参照磁界を求めることもできる。

＜参照磁界センサ（探査磁界センサ）＞
参照磁界センサ２０と探査磁界センサ３０とは、基本的に同じ構造で良いため、出願人は、参照磁界センサ２０を代表して説明する。

図４に示される参照磁界センサ２０は、土台部２３と土台部２３に取り付けられた棒状部２１とから構成される。棒状部２１は直交座標系に向くように３本の棒が交差する形状に形成されている。参照磁界センサ２０は、さらに図示しない保護カバー又は地表に設置するための固定杭等を備えても良い。棒状部２１及び土台部２３は、合成樹脂などの非磁性体の材料で製作されることが好ましい。

参照磁界センサ２０は、特定の軸方向の感度を有する磁界センサ２２として例えばソレノイドコイルを用い、三軸方向に配置されたソレノイドコイルを組み合わせている。つまり、Ｘ軸方向に伸びた棒状部２１にはＸ軸ソレノイドコイル２２Ｘが、Ｙ軸方向に伸びた棒状部２１にはＹ軸ソレノイドコイル２２Ｙが、Ｚ軸方向に伸びた棒状部２１にはＺ軸ソレノイドコイル２２Ｚが配置されている。特に磁界センサはソレノイドコイルに限られず、フラックスゲート型磁界センサ等が用いられても良い。これら各軸の磁界センサ２２からアナログ信号は、ローパスフィルタ及びＡ／Ｄ変換器等を介して、デジタル信号に変換され、出力信号（ＤＸ，ＤＹ、ＤＺ）として出力される。なお、出力信号は計測された時刻とともに出力されることが好ましい。

参照磁界センサ２０は、さらに位置・方位検出部２４、通信部２６、時計、電池等を有している。参照磁界センサ２０は、磁界センサ２２の参照磁界の出力を、設定される座標系に補正する演算部（ＣＰＵ）を有していてもよい。

位置・方位検出部２４は、参照磁界センサ２０の位置を特定する。また位置・方位検出部２４は、磁界センサ２２の方向が変動したりもしくは傾いたりした場合に、座標系に補正するため、参照磁界センサ２０の方位等を検出する。地表ＳＥ等に設置された参照磁界センサ２０は、例えば傾いた地表ＳＥに設置されることがある。また車両４７もしくは無人飛行機４５に搭載された探査磁界センサ３０は、移動中に振動などによって方向が変動したり回転したりする。このため、磁界センサ２２の各軸方向は、必ずしもＸＹＺ軸方向に向いていないため、この各軸方向の出力信号を設定される座標系に補正することが望ましい。位置・方位検出部２４は、参照磁界センサ２０の位置・方位を検出する。位置・方位検出部２４は、具体的にはＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）、カメラ計測、又はレーザー計測等の自己位置特定装置が含まれる。さらに慣性装置（加速度センサもしくはジャイロセンサからなるモーションセンサ等）等の自己位置特定装置が含まれても良い。なお、参照磁界センサ２０が、位置・方位検出部２４を有さない場合には、不図示の測量器等で参照磁界センサ２０の位置・方位を測量して、参照磁界センサ２０の位置・方位を特定してもよい。つまり測量器が位置・方位検出部２４の代わりになる。位置・方位の信号は計測された時刻とともに出力されることが望ましい。

通信部２６は、磁界センサ２２の出力信号、位置・方位検出部２４の位置及び方位信号をコンピュータ５０に有線・無線で送信する。なお、参照磁界センサ２０が、通信部２８を有さない場合には、作業者が参照磁界センサ２０から参照磁界の出力を携帯可能な記録媒体に転送させて、その携帯可能な記録媒体をコンピュータ５０に接続させても良い。

第１実施形態及び第２実施形態の参照磁界センサ２０（探査磁界センサ３０）は地磁気に対してきわめて小さい磁界の強度を検出するため、磁界センサの三軸方向の感度特性は正確に補正されることが好ましい。このため、三軸方向の磁界センサ２２の感度、オフセット、軸ズレを等しくすることが好ましい。これら磁界センサの感度、オフセット、軸ズレを等しくするため、参照磁界センサ２０に所定の補正係数を組み込むことが望ましい。補正係数は、参照磁界センサ２０のソレノイドコイル２２を回転台（図示しない）の回転軸に一致させて回転台に載置する。そして回転台を回転させて、参照磁界センサ２０の出力を求め、その出力の変動を一定にする補正係数を求め、その補正係数をメモリなどに記憶させれば良い。

＜磁気探査方法１＞
図５（Ａ）は、第１実施形態及び第２実施形態の磁気探査システムで使用される磁気探査方法を示したフローチャートである。図５（Ａ）は、磁気探査システム１００又は磁気探査システム１１０が参照磁界センサ２０を含まない場合の例である。このため、参照磁界センサ２０が描かれていない図１を必要に応じて参酌する。

ステップＳ５１では、無人航空機４５又は車両４７に搭載された探査磁界センサ３０が、所定時間ごと（サンプリング周期）に、三軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の探査磁界を計測する。この計測に合わせて、位置・方位検出部２４が探査磁界センサ３０の位置を検出するとともに、設定される座標系から探査磁界センサ３０の三軸方向がどれだけズレているか（三軸方向のロール軸、ピッチ軸又はヨー軸も含む）を検出する。なお設定される座標系は、例えば地球の東方向（＋ｙ方向）、北方向（＋ｘ方向）及び東西南北を含む面の法線方向（ｚ方向）を三次元直交座標としてもよい。その他任意の座標系が設定されてもよい。

図１を参酌すると、無人航空機４５に搭載された探査磁界センサ３０が、高さｈ５の探査領域３５で複数の計測点ＳＵ（時間ｔ０、ｔ１……ｔ９９）で探査磁界を計測する。さらに無人航空機４５は高さｈ０に移動し、高さｈ０で探査領域の面３９を飛行し、探査磁界センサ３０は複数の計測点ＳＵ（時間ｔ１００、ｔ１０１……ｔ１９９）で探査磁界を計測する。なお、先に無人航空機４５が高さｈ０で探査領域の面３９を飛行し、その後高さｈ５の探査領域３５を飛行して、探査磁界を計測しても良い。参照磁界用に別の無人飛行機に搭載された探査磁界センサが探査磁界を計測しても良い。

ステップＳ５２では、ステップＳ５１で計測された探査磁界（時間ｔ０、ｔ１……ｔ１００、……ｔ１９９）が、探査磁界センサ３０に設けられた位置・方位検出部２４で検出された位置・方位に基づいて、設定される座標系に補正される。つまり、ステップＳ５１及びＳ５２で、座標系における計測点の探査磁界を計測することになる。

ステップＳ５３では、補正された探査磁界から参照磁界が計算される。その計算方法は、図５（Ｂ）及び（Ｃ）で詳細が説明される。

ステップＳ５４では、差分計算部５３が、ステップＳ５２を経た探査磁界ＥＦ（座標補正済）と、ステップＳ５３の参照磁界ＲＦ（座標補正済）とのベクトル差分を計算する。このベクトル差分は、探査対象物ＭＭにより生じる対象磁界ベクトルとみなすことができる。この探査対象物ＭＭのみにより生じる磁界ベクトルを対象磁界ベクトル(以下、対象磁界と言う。)ＭＦと呼ぶ。また磁性体を含む探査対象物ＭＭは、地磁気によりＳ極とＮ極とを有する。

ステップＳ５５では、ステップＳ５４で求められたベクトル差分（対象磁界ＭＦ）に基づいて、位置推定部５５が、探査対象物ＭＭのＮ極によって生じるＮ磁界ベクトル（以下、Ｎ磁界と言う。）ＭＮ及びＳ極によって生じる磁界ベクトル（以下、Ｓ磁界と言う。）ＭＳを計算する。さらに位置推定部５５は、ある計測点ＳＵと別の計測点ＳＵとの距離ＬＬを計算する。複数の計測点のＮ磁界ＭＮ、Ｓ磁界ＭＳ及びそれら複数の計測点間の距離ＬＬが計算されることで、位置推定部５５は、探査対象物ＭＭの位置及び／又は大きさを推定することができる。探査対象物ＭＭの位置及び大きさの推定計算については図７及び図８で後述される。

なお、上記説明では、無人航空機４５に搭載された探査磁界センサ３０が、高さｈ０の探査領域３９と高さｈ５の探査領域３５とで探査磁界を計測した。しかし、高さｈ５の探査領域３５で計測せず、高さｈ０の探査領域３９での計測で得られた探査磁界で参照磁界を計算するようにしても良い。但し、この参照磁界は、探査対象物ＭＭにより生じる磁界の影響を受けやすくなる。またステップＳ５１のみを探査磁界センサ３０で行い、ステップＳ５２－Ｓ５５をコンピュータ５０で計算するようにしてもよいし、ステップＳ５１－Ｓ５５を探査磁界センサ３０内で計算しても良い。

（時間的な平均による参照磁界の計算）
図５（Ｂ）は、探査磁界センサ３０が計測した探査磁界に基づいて、参照磁界計算部５１が参照磁界を計算する第１例である。第１例は、異なる時間（ｔ０―ｔ９９）に計測された探査磁界を平均し、その平均値を参照磁界とする方法である。例えば図１において、無人航空機４５は高さｈ５で探査領域３５の全領域を時間ｔ０から時間ｔ９９まで飛行して、時間ごとに探査磁界を計測する。参照磁界計算部５１は、計測された１００個の探査磁界を平均することで、参照磁界とする。なお、計測されたすべての探査磁界を平均化する以外に、明らかに異常信号を含む探査磁界と判断できる場合には、参照磁界計算部５１は、それらの探査磁界を除いて平均化したり、時間ｔ０、ｔ９、ｔ１９……ｔ９９と離散的な探査磁界を平均化しても良い。

（空間的な平均による参照磁界の計算）
図５（Ｃ）は、探査磁界センサ３０が計測した探査磁界に基づいて、参照磁界計算部５１が参照磁界を計算する第２例である。参照磁界計算部５１は、異なる位置で計測された探査磁界を平均し、その平均値を参照磁界とする。例えば、参照磁界計算部５１は図１に示された高さｈ５の探査領域３５の２４点での探査磁界を平均化することで、参照磁界とする。

（その他の方法による参照磁界の計算）
特に図示しないが、特に無人航空機４５のように地表又は水面から高く離れることができる場合（例えば１００ｍ）には、１００ｍ上で探査磁界センサ３０が計測した探査磁界の１計測のみで、参照磁界とすることも可能である。１００ｍ以上の高度になれば地中又は水中に埋没された埋探査対象物ＭＭの磁界の影響をあまり受けないからである。

＜磁気探査方法２＞
図６は、第１実施形態及び第２実施形態の磁気探査システムで使用される磁気探査方法を示したフローチャートである。図６は、磁気探査システム１００又は磁気探査システム１１０が参照磁界センサ２０を含む場合の例である。このため、参照磁界センサ２０が描かれている図３を必要に応じて参酌する。

ステップＳ６１では、地表などに設置された参照磁界センサ２０が所定時間（サンプリング周期（ｔ０－ｔ９９））ごとに、三軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の参照磁界を計測することが好ましい。この計測に合わせて、位置・方位検出部２４が参照磁界センサ２０の位置を検出するとともに、設定される座標系から参照磁界センサ２０の三軸方向がどれだけズレているか（三軸方向のロール軸、ピッチ軸又はヨー軸も含む）を検出する。なお参照磁界センサ２０は地表ＳＥに設置されているため、位置・方位検出部２４はサンプリング周期毎に検出する必要はなく、一度だけ検出しても良い。図３を参酌すると、車両４７が走行する探査領域外の近傍に参照磁界センサ２０が４つ設置されているが、参照磁界センサ２０が探査領域内に設置されてもよい。

ステップＳ６２では、ステップＳ６１で計測された参照磁界（時間ｔ０、ｔ１……ｔ９９）は、参照磁界センサ２０の位置・方位検出部２４で検出された位置・方位に基づいて、設定される座標系に補正される。つまりステップＳ６１及びＳ６２で、設定される座標系の参照磁界が計測されることになる。

ステップＳ６３では、４つの参照磁界センサ２０から出力された参照磁界（座標補正済）がサンプリング周期毎に平均化され、参照磁界とみなされる。なお、１つの参照磁界センサ２０しか設置されなかった場合には、その１つの参照磁界（座標補正済）がサンプリング周期毎の参照磁界とみなされる。サンプリング周期とは関係なく、すべてのサンプリング周期の参照磁界を平均化して、それを参照磁界とみなすことも可能である。

ステップＳ６４では、無人航空機４５又は車両４７に搭載された探査磁界センサ３０が、所定時間（サンプリング周期（ｔ０－ｔ９９））ごとに、三軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の探査磁界を計測する。この計測に合わせて、位置・方位検出部２４が探査磁界センサ３０の位置を検出するとともに、設定される座標系から探査磁界センサ３０の三軸方向がどれだけズレているか（三軸方向のロール軸、ピッチ軸又はヨー軸も含む）を検出する。説明の都合上、ステップＳ６４はステップＳ６１の後に説明されているが、地磁気は時間により変動するので、ステップＳ６４はステップＳ６１に同期して（１秒未満の計測時刻の違いは、同期とする）探査磁界を計測することが好ましい。

ステップＳ６５では、ステップＳ６４で計測された探査磁界（時間ｔ０、ｔ１……ｔ９９）が、位置・方位検出部２４で検出された位置・方位に基づいて、設定される座標系に補正される。つまりステップＳ６４及びＳ６５で、座標系における計測点の探査磁界が計測されることになる。

ステップＳ６６では、差分計算部５３は、ステップＳ６３の参照磁界ＲＦとステップＳ６５を経た探査磁界ＥＦとのベクトル差分を時間（ｔ０－ｔ９９）ごとに計算することが好ましい。厳密には地磁気は時間ごとに変化するため、ベクトル差分が時間ごとに計算されると、良い精度のベクトル差分を得ることができる。このベクトル差分は、探査対象物ＭＭにより生じる対象磁界ベクトルとみなすことができる。

ステップＳ６７では、ステップＳ６６で求められたベクトル差分（対象磁界ＭＦ）に基づいて、位置推定部５５は、探査対象物ＭＭのＮ極によって生じるＮ磁界ＭＮ及びＳ極によって生じるＳ磁界ＭＳを計算する。さらに位置推定部５５は、ある計測点ＳＵと別の計測点ＳＵとの距離ＬＬを計算する。複数の計測点のＮ磁界ＭＮ、Ｓ磁界ＭＳ及びそれら複数の計測点間の距離ＬＬが計算されることで、位置推定部５５は、探査対象物ＭＭの位置及び大きさを推定することができる。探査対象物ＭＭの位置及び大きさの推定計算については図７及び図８で後述される。

なお、図６で示された磁気探査方法２では、探査磁界センサ３０から出力された探査磁界は参照磁界用に使用されなかった。しかし、参照磁界センサ２０からの参照磁界と探査磁界センサ３０からの探査磁界の平均値とを合成して、参照磁界とすることも可能である。

（探査対象物ＭＭの位置及び大きさ）
ステップＳ５５及びＳ６７で推定される探査対象物ＭＭの位置及び／又は大きさを推定する方法が、図７及び図８を使って説明される。

図７及び図８は、東京都の位置で磁気探査をする場合の例で、東から西方向を見た概念図である。東京都では地磁気が伏角４９°であり、図７及び図８は、地磁気が伏角４９°で偏角０°で描かれた平面図である。伏角及び偏角は、図７の左下図で説明されている。

図７及び図８では、２つの計測点ＳＵ１、ＳＵ２で探査磁界ＥＦが計測された例が示される。また磁性体を含む探査対象物ＭＭは、地表ＳＥからある深さに埋没した地中にあり、地磁気によるＳ極とＮ極とを有している。参照磁界ＲＦは、図５又は図６のフローチャートで説明した通り、探査磁界ＥＦに基づいて算出された参照磁界、及び／又は参照磁界センサ２０から出力された参照磁界の少なくとも一方である。

図７において、計測点ＳＵ１及びＳＵ２の磁界ベクトルが丸で囲まれた範囲に拡大されて示されている。探査対象物ＭＭの対象磁界ＭＦは、探査磁界ＥＦから参照磁界ＲＦを差し引いたベクトル差分（対象磁界ＭＦ）である。この対象磁界ＭＦは、探査物ＭＭのＳ極によるＳ磁界ＭＳ（二点鎖線）とＮ極によるＮ磁界ＭＮ（一点鎖線）との合成ベクトルである。位置推定部５５は、ベクトル差分に基づいてＳ磁界ＭＳとＮ磁界ＭＮとを計算する。

図８（Ａ）は、探査対象物ＭＭのＳ極及びＮ極を通る一つの磁束線ＦＬを示した概念図である。対象磁界ＭＦは、磁束線ＦＬ上に存在する。図８（Ａ）では、理解を助けるために、計測点ＳＵ１を通る磁束線と計測点ＳＵ２を通る磁束線とが同一磁束線ＦＬ上に存在している例が示されている。多くの場合、計測点ＳＵが異なると異なる磁束線を通るのが一般的である。

図８（Ｂ）は、Ｎ磁界ＭＮ及びＳ磁界ＭＳに基づいて、探査対象物ＭＭの位置と大きさを推定する概念図である。探査磁界センサ３０に設けられた位置・方位検出部２４を使って、計測点ＳＵ１及びＳＵ２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は検出されている。つまり、位置推定部５５は、計測点ＳＵ１と計測点ＳＵ２との間の距離ＬＬを計算できる。また位置推定部５５は、計測点ＳＵ１のＳ極によるＳ磁界ＭＳ（二点鎖線）と計測点ＳＵ２のＳ極によるＳ磁界ＭＳ（二点鎖線）との交差角度を計算することができる。交差角度と距離ＬＬとに基づいて、計測点ＳＵ１又は計測点ＳＵ２からの距離が計算できる。これにより、探査対象物ＭＭのＳ極の位置（ｘ，ｙ，ｚ）が推定できる。同様に、位置推定部５５は、計測点ＳＵ１のＮ極によるＮ磁界ＭＮ（一点鎖線）と計測点ＳＵ２のＮ極によるＮ磁界ＭＮ（一点鎖線）との交差角度及び距離ＬＬに基づいて、計測点ＳＵ１又は計測点ＳＵ２からの距離が計算できる。これにより、位置推定部５５は、探査対象物ＭＭのＮ極の位置（ｘ，ｙ，ｚ）が推定できる。つまり位置推定部５５は、Ｓ極の位置とＮ極の位置とを２分した位置を、探査対象物ＭＭの位置と推定できる。Ｓ極の位置とＮ極の位置とを２分した位置ではなく、Ｓ極の位置もしくはＮ極の位置を探査対象物ＭＭの位置と推定しても良い。

また探査対象物ＭＭのＳ極の位置とＮ極の位置との距離が計算できるため、この距離に基づいて探査対象物ＭＭの大きさを推定することができる。

第１実施形態では無人飛行機４５を使った磁気探査システムを説明し、第２実施形態では陸上を走る車両４７を使った磁気探査システムを説明した。特に深い水中（海中）での探査対象物ＭＭを探査する場合には、無人潜水艦（水中ドローン）を使用すれば良い。水中であっても参照磁界センサ２０は参照磁界又は探査磁界センサ３０は探査磁界を計測できる。一方、ＧＮＳＳ等の位置・方位検出部２４は、水中では使用できないため、音響測位、レーザー計測、慣性装置等を使用する少なくとも一つ以上の自己位置特定が好ましい。ＧＮＳＳが位置・方位検出部２４の場合には、位置・方位検出部２４を水上に浮かばせるようにすることが好ましい。また水中の参照磁界センサ２０又は探査磁界センサ３０の磁界の出力信号は、音響通信もしくは光通信で又はケーブルを使った有線通信等で、出力されることが好ましい。

第１実施形態及び第２実施形態では、地球上での磁性体を含む探査対象物を探査する方法を主として説明してきた。しかし、本実施形態は、月もしくは火星等の宇宙において探査対象物を探査することもできる。例えば衛星もしくは惑星の表面では、第２実施形態で説明したように、衛星もしくは惑星の地表面を移動する探査車（ローバー）に探査磁界センサ３０を搭載して、探査磁界を計測することができる。また、衛星や惑星の表面を極めて低い高度で飛ぶことができる探査機（プロペラで浮揚もしくはガス噴射で浮揚）に探査磁界センサ３０を搭載して、探査磁界を計測することができる。

なお、衛星もしくは惑星等の宇宙では、位置・方位検出部２４としてＧＮＳＳは使用できないが、カメラ計測、レーザー計測、慣性装置等の少なくとも１以上の位置・方位検出部２４を使用して、参照磁界センサ２０もしくは探査磁界センサ３０の位置・方位を検出することができる。

第１実施形態及び第２実施形態では、主に土中もしくは水中などに埋没された磁性体を含む探査対象物を探査する方法を主として説明してきた。しかし、これに限られるわけでない。例えば茂った木々で覆われている探査対象物、隙間に落ちて見つけにくい探査対象物など、本実施形態のシステム及び方法は、目視できない探査対象物を探査できる。また、探査磁界センサ３０を人体の周辺で移動させて、その探査磁界からカプセル型の胃カメラの位置を探査することも可能である。

１００，１１０ … 磁気探査システム
２０ … 参照磁界センサ、 ２４ …位置・方位検出部、 ２６ … 通信部
３０ … 探査磁界センサ
４５ … 無人飛行機、 ４７ … 車両
５０ … コンピュータ
ＥＦ … 探査磁界ベクトル、 ＲＦ … 参照磁界ベクトル
ＭＭ … 探査対象物、 ＭＦ … 探査対象物の対象磁界ベクトル、
ＭＮ … Ｎ極によるＮ磁界ベクトル、 ＭＳ … Ｓ極によるＳ磁界ベクトル
ＳＥ … 地表、 ＳＵ（ＳＵ１、ＳＵ２） … 計測点

Claims (10)

1. 磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査方法であって、
   前記探査対象物が存在すると推定される探査領域に三次元直交座標系（以下、座標系という。）を設定し、該座標系における複数の計測点の磁界ベクトルを移動可能な第１磁界センサにより計測する工程と、
   前記探査領域で前記座標系における参照磁界ベクトルを計測する工程と、
   前記計測点で計測した各磁界ベクトルと前記参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する工程と、
   前記計測点ごとのベクトル差分に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する工程と、
   を有する、磁気探査方法。
2. 前記参照磁界ベクトルを計測する工程は、前記探査領域及び／又はその近傍に参照磁界ベクトルを計測する参照磁界センサを一つもしくは二つ以上を設置する工程を備え、
   一つの前記参照磁界センサが計測した前記参照磁界ベクトルを前記参照磁界ベクトルとみなす、もしくは二つ以上の前記参照磁界センサが計測した前記参照磁界ベクトルの平均値を前記参照磁界ベクトルとみなす、請求項１に記載の磁気探査方法。
3. 前記ベクトル差分を計算する工程は、前記第１磁界センサにより複数の計測点の磁界ベクトルを計測したそれぞれの時刻と、前記参照磁界センサが前記参照磁界ベクトルを計測した時刻とが同期する、請求項２に記載の磁気探査方法。
4. 磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査方法であって、
   前記探査対象物が存在すると推定される探査領域に三次元直交座標系（以下、座標系という。）を設定し、該座標系における複数の計測点の探査磁界ベクトルを移動可能な第１磁界センサにより計測する工程と、
   前記第１磁界センサで計測された探査磁界ベクトルに基づいて参照磁界ベクトルを計算する工程と、
   前記計測点で計測した各探査磁界ベクトルと前記参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する工程と、
   前記計測点ごとのベクトル差分に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する工程と、
   を有する、磁気探査方法。
5. 移動可能な第２磁界センサによって、前記探査領域の磁界ベクトルを複数点計測して、複数点の前記磁界ベクトルの平均値を前記参照磁界ベクトルとみなす、請求項４に記載の磁気探査方法。
6. 前記第１磁界センサと前記第２磁界センサとが同一の磁界センサである、請求項５に記載の磁気探査方法。
7. 前記探査対象物の位置を推定する工程は、
   前記計測点ごとに、前記ベクトル差分を合成する前記探査対象物のＳ極によるＳ磁界ベクトルとＮ極によるＮ磁界ベクトルとを計算する工程と、
   前記計測点と別の前記計測点との間の距離を計算する工程と、
   前記計測点及び別の前記計測点の前記Ｓ磁界ベクトルの交差角度、前記計測点及び別の前記計測点の前記Ｎ磁界ベクトルの交差角度、及び前記距離に基づき、前記探査対象物の位置を推定する、請求項１又は請求項４に記載の磁気探査方法。
8. 前記探査対象物の位置を推定する工程は、
   前記計測点及び別の前記計測点の前記Ｓ磁界ベクトルの交差角度と前記距離とに基づき、前記探査対象物のＳ極の位置を推定し、
   前記計測点及び別の前記計測点の前記Ｎ磁界ベクトルの交差角度と前記距離とに基づき、前記探査対象物のＮ極の位置を推定し、
   前記Ｓ極と前記Ｎ極との位置に基づいて、前記探査対象物の大きさを推定する、請求項７に記載の磁気探査方法。
9. 磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査システムであって、
   前記探査対象物が存在すると推定される探査領域に三次元直交座標系（以下、座標系という。）における複数の計測点の探査磁界ベクトルを計測する、移動可能な第１磁界センサと、
   前記探査領域で前記座標系における参照磁界ベクトルを計測する参照磁界センサと、
   前記計測点で計測した各探査磁界ベクトルと前記参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する差分計算部と、
   前記計測点ごとのベクトル差分に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する推定部と、
   を有する、磁気探査システム。
10. 磁性体を含む探査対象物を探査する磁気探査システムであって、
    前記探査対象物が存在すると推定される探査領域に三次元直交座標系における複数の計測点の探査磁界ベクトルを計測する、移動可能な第１磁界センサと、
    前記第１磁界センサの探査磁界ベクトルに基づいて、前記探査領域の参照磁界ベクトルを計算する計算部と、
    前記計測点で計測した各探査磁界ベクトルと前記参照磁界ベクトルとのベクトル差分を計算する差分計算部と、
    前記計測点ごとのベクトル差分に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する推定部と、
    を有する、磁気探査システム。