JP5162760B2

JP5162760B2 - 船体の磁気低減方法及び装置

Info

Publication number: JP5162760B2
Application number: JP2009247884A
Authority: JP
Inventors: 尚中村; 利治木村; 尚史赤木
Original assignee: 防衛省技術研究本部長
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011093383A

Description

本発明は、磁性体の(例えば鋼鉄製の)船体の外部に発生する磁界を常時最小に低減するための、船体の磁気低減方法及び装置に関する。

鋼鉄等の磁性体によって構成された船体を有する船舶の外部磁場は大別して、鋼材自身による永久磁場と、船体自身が地球磁場によって誘起される誘導磁場とから成り、これらが重畳して船体の外部磁場を形成している。

船体の外部磁場を最小にするための技術として、複数個の磁気検知器を測定海面の海底に敷設し、船舶をそれら磁気検出器群の配列線上を航走させて、各磁気検知器の測定値から船体内に設けられている消磁コイルに通電する最適な電流値を決定して、船体の外部磁場を低減することが従来から行われている。

磁気検出器群による船体磁気測定値に基づく消磁電流の調定は、複数個の磁気検出器を測定海面の海底に敷設した設備を有する磁気測定所にてほぼ一定期間ごとに実施される。しかし、その期間中(つまり次回の調定まで)に船舶が航行中に受ける波浪、水圧等の外圧によって船体の磁気状態は変化するため、常時最適な消磁状態を維持することがきわめて困難であった。

こうした問題を解決するための技術として、下記特許文献１に開示の船舶の磁気低減装置が知られている。この装置は、船体内に複数個の磁気検知器を設置して、定期的に実施される磁気測定時の船体の内部磁界及び外部磁界の測定値から長球調和関数の展開式により船体の内部磁気モーメント及び外部磁気モーメントを求め、それぞれの相関係数を算出し、以後船体の磁気状態が変化しても、内部磁界の値から上記で得た相関係数を用いて推定した外部磁気モーメントの値が消磁コイルによる外部磁気モーメントにより打ち消されるように各消磁コイルの起磁力を決定して、該起磁力に対応した電流値を船体内の各消磁コイルに通電することにより、常時最適な消磁状態を維持するとしている。

特開平８−７８２３４号公報

しかし、特許文献１の装置では、船体の外部磁場展開係数と消磁コイル効果の外部磁場展開係数との比により消磁電流値を決定しているため、船体全体を覆うように敷設された首尾線方向、横方向、垂直方向の磁場を発生する主要な消磁コイルのみ制御可能であり、例えば船首付近の局所的な外部磁場を消磁するために敷設された消磁コイル等については制御することはできない。また、上空等任意の深度に対応した消磁電流値を算出することはできない。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、船舶の航行中に船体磁気が変化しても船体外部磁場を推定でき、かつ船体内に設けられたすべての消磁コイルの消磁電流値を制御して任意の深度における船体外部磁場を低減することが可能な、船体の磁気低減方法及び装置を提供することにある。

本発明のある態様は、船体の磁気低減方法である。この方法は、
船体内に設けられた複数個の消磁コイルに通電して船体の磁気を低減する方法であり、
前記船体内に設置された複数個の磁気検知器で船体内部磁場を測定するステップと、
測定した前記船体内部磁場に基づいて船体外部磁場展開係数を算出するステップと、
算出した前記船体外部磁場展開係数に基づいて任意の深度における船体外部磁場を推定するステップと、
予め算出した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数に基づいて、前記任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定するステップと、
前記任意の深度における前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値を最適パラメータ探索法を用いて特定するステップと、
特定した前記消磁電流値に基づいて各消磁コイルに通電するステップとを有し、
船体内部磁位及び船体外部磁位をそれぞれ長球調和関数で展開した場合の船体内部磁場展開係数及び船体外部磁場展開係数の相関関係を予め求めておき、
前記算出するステップは、測定した前記船体内部磁場に基づいて前記船体内部磁場展開係数を算出し、前記船体内部磁場展開係数と前記相関関係とに基づいて前記船体外部磁場展開係数を算出する。

ある態様の方法において、前記最適パラメータ探索法が遺伝的アルゴリズムであるとよい。

ある態様の方法において、前記最適パラメータ探索法が最急降下法であるとよい。

ある態様の方法において、前記最適パラメータ探索法が焼き鈍し法であるとよい。

本発明の別の態様は、船体の磁気低減装置である。この装置は、
船体内に設けられた複数個の消磁コイルと、前記船体内に設置された複数個の磁気検知器と、各磁気検知器で測定した船体内部磁場に基づいて消磁電流値を演算する演算部と、前記演算部で演算した消磁電流値に基づいて各消磁コイルに通電する消磁コイル電源部とを備え、
前記演算部は、船体内部磁位及び船体外部磁位をそれぞれ長球調和関数で展開した場合の船体内部磁場展開係数及び船体外部磁場展開係数の相関関係を予め求めておき、前記船体内部磁場に基づいて前記船体内部磁場展開係数を算出し、前記船体内部磁場展開係数と前記相関関係とに基づいて前記船体外部磁場展開係数を算出して任意の深度における船体外部磁場を推定し、一方、予め測定した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数に基づいて前記任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定し、前記任意の深度における前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値を最適パラメータ探索法を用いて特定することを特徴とする。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、船体外部磁場展開係数に基づいて任意の深度における船体外部磁場を推定し、一方、予め算出した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数に基づいて前記任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定し、前記任意の深度における前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値を最適パラメータ探索法を用いて特定し、特定した前記消磁電流値に基づいて各消磁コイルに通電するので、船舶の航行中に船体磁気が変化しても船体外部磁場を推定でき、かつ船体内に設けられたすべての消磁コイルの消磁電流値を制御して任意の深度における船体外部磁場を低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る船体の磁気低減方法のフローチャート。同実施の形態で使用する数学モデルの概要図。同実施の形態に係る船体の磁気低減装置の全体構成図。

(概要)
本実施の形態では、船体の内部に複数個の内部磁気検出器を設置し、複数個の外部磁気検出器を測定海面の海底に敷設した設備を有する磁気測定所にて定期的に実施される磁気測定時の船体内部磁場及び船体外部磁場の測定値から、長球調和関数の展開式によりＸ,Ｙ,Ｚ方向の船体内部磁場展開係数と船体外部磁場展開係数とを求めて、それぞれの相関係数を算出する。そして以後、船体の磁気状態が変化しても、磁気状態変化後の船体内部磁場の値から、上記で得た相関係数を用いて任意の深度における磁気状態変化後の船体外部磁場を推定する。一方、磁気測定所にて予め測定して長球調和関数の展開式により算出した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数から、任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定する。そして、最適パラメータ探索法を用いて、前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値(つまり船体磁気による船体外部磁場を各消磁コイルの磁気による船体外部磁場で打ち消す消磁電流値)を決定し、各消磁コイルに通電することにより常時最適な消磁状態を維持する。

船体磁気による船体内部磁場と船体外部磁場との相関関係は、船体の内外部磁位を長球調和関数で展開すると、船体内部磁場展開係数と船体外部磁場展開係数とが等価回転楕円体面で関係づけられる。従って、船体の磁気状態が変化しても、船体内部磁場をモニターすることにより磁気状態変化後の船体外部磁場を推定することが可能となり、それを打ち消すように各消磁コイルの通電量を制御することによって、常時最適な消磁状態を維持することができる。

(詳細)
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図３は、本発明の実施の形態に係る船体の磁気低減装置の全体構成図である。この装置は、磁気監視部１と、磁気管制部２と、演算部３と、消磁コイル電源部４と、消磁コイル群５とを備える。ここに示す各ブロックは、ハードウェアやソフトウェア、又はそれらの組合せによる協働によって実現される。

磁気監視部１は、船体内に設置されたｓ個のＸ,Ｙ,Ｚ方向(直交３軸)の３軸磁気検知器から成る。磁気検知器の設置場所は、極力消磁コイル及び船舶の搭載機器、電路等から発生する磁気ノイズの影響を受けない空間が望ましい。消磁コイル群５は、船内に設置した消磁コイルＣ₁〜Ｃ_nで構成される。消磁コイルＣ₁〜Ｃ_nの中には、船体全体を覆うように敷設された首尾線方向、横方向、垂直方向の磁場を発生するもののほか、例えば船首付近の局所的な外部磁場を消磁するために敷設されたものもある。

磁気監視部１による船体内部磁場の測定値は、磁気管制部２内のＡ／Ｄ変換器により、(ｓ×３)個のデジタル信号に変換される。このデジタル信号は演算部３に取り込まれる。演算部３は、後述する手法を用いて最適な消磁電流値ｉ_C1〜ｉ_Cnを演算する。消磁コイル電源部４は、消磁コイル群５を構成する消磁コイルＣ₁〜Ｃ_nに消磁電流値ｉ_C1〜ｉ_Cnをそれぞれ通電させる。その時、通電中の消磁状態において再び磁気監視部１により船体内部磁場を測定して、演算部３により船体外部磁場が所定の値以下に消磁されているかを評価して、消磁されていなれば上記の手順を繰り返す。

図１は、本発明の実施の形態に係る船体の磁気低減方法のフローチャートである。以下、上記のように構成された船体の磁気低減装置において、船体内部磁場から最適な消磁電流値を求める手法について説明する。

(ア)船体内部磁場と船体外部磁場との相関関係の導出
図２は、本実施の形態で使用する数学モデルの概要図である。ここでは、船体を回転楕円体と見なし、座標軸は船体中心を原点とし、首尾線前方向をＸ軸、右舷方向をＹ軸、垂直下方向をＺ軸と定義する。次に、原点を基準としてＸ軸上の両側の位置に点Ｃ₁,Ｃ₂を置き、これらを焦点とし、船体と見なしている回転楕円体の内接、外接する共焦点楕円体面をξ_i,ξ_eとして、回転楕円体座標(ξ,η,φ)を設ける。船舶の鋼材で構成された船体は、計算上はこうして中空回転楕円体モデルに置き換えることができる。このような中空回転楕円体モデル(船体)の内外部磁場は、伝導電流を含まない空間領域に船体が存在しているものとすると、うずなしである。このため、船体内外部磁場のスカラー・ポテンシャルすなわち磁位は、ラプラスの方程式を満足する。

回転楕円体座標における任意の点Ｐ(ξ,η,φ)は、点Ｃ₁,Ｃ₂を焦点とする回転楕円面ξ(ξ≧１)、点Ｃ₁,Ｃ₂を焦点とする回転双曲面η(−１≦η≦１)、及びＸ軸を境界とする半平面φ(０≦φ≦２π)の交点として表される。ここで、点Ｐの回転楕円体座標(ξ,η,φ)を直角座標(ｘ,ｙ,ｚ)で表すと、

となる。この座標系を用いると、ラプラスの方程式の解すなわちξ_eの外部磁位Ｆ_e(ξ,η,φ)は、

のように長球調和関数の無限級数展開で表示できる。また、ξ_iの内部磁位をＦ_i(ξ,η,φ)とすれば、

となる。ここで、船体外部磁場の各成分Ｈｘ,Ｈｙ,Ｈｚの表現式は、式２の負の導関数により定義されるため、

となる。一方、船体内部磁場の各成分ｈｘ,ｈｙ,ｈｚの表現式も同様に式３の負の導関数から求めることができ、

となる。

式４〜６において、何らかの方法で船体外部磁場の各展開係数を計測できれば船体外部磁場は計算できることになる。ここで、船体内外部磁場の各展開係数の関係は、

となり、船体内外部磁場は回転楕円体面ξ'によって関係づけられる。すなわち、船体内外部磁場の対応する係数比はｎ及びｍの値に従って一定値を取る。従って、ξ'が分かれば船体外部磁場から船体内部磁場を、また船体内部磁場から船体外部磁場を決定することが可能となる。このように、ある磁気状態における等価回転楕円体面ξ'を定めることにより、以後、船体の磁気状態が変動しても船体内部磁場の計測値から船体外部磁場を定量的に把握できることになる。

船体内外部磁場の各展開係数は、複数個の外部磁気検出器を測定海面の海底に敷設した設備を有する磁気測定所にて船体内部磁場と船体外部磁場の計測を行い(ＳＴ１)、計測された船体外部磁場の値を式４〜６に、計測された船体内部磁場の値を式７〜９にあてはめ、最小２乗法により求めることができる(ＳＴ２)。求められた船体内外部磁場の各展開係数から、それらの相関係数を求めることができ(ＳＴ３)、これを用いれば、式１０は、

となる。式１１から数値計算上、各相関係数が分かれば、あえて回転楕円体面ξを求める必要性はないことが分かる。

(イ)船体内部磁場による船体外部磁場の推定
磁気測定所にて船体内部磁場と船体外部磁場の計測後、船舶の航行中の波浪、水圧等の外圧その他の要因によって船体磁気は変化する(ＳＴ４)。船体磁気の経年変化が発生した後、経年変化後の船体外部磁場の各展開係数は、経年変化後の船体内部磁場を計測し(ＳＴ５)、経年変化後の船体内部磁場展開係数を式７〜９により算出し(ＳＴ６)、予め算出した船体内外部磁場の相関係数を用いて求めることができ、

となる(ＳＴ７)。ただし、実際の船体の形状が図２に示す理想的な回転楕円体とは若干異なることや、使用している鋼材のばらつき、船内に存在する様々な機器が原因で、船体内外部磁場の展開係数の相関関係において原点を通過しない場合は、経年変化後の船体外部磁場の各展開係数は、

となる(ＳＴ７)。各切片も相関係数と同様に不変であるため、これらを一度算出すれば、経年変化後の船体外部磁場は、船体内部磁場から算出した各展開係数とあらかじめ算出した船体内外部磁場の相関係数で求めることができる。

(ウ)最適消磁電流値の決定
使用する消磁コイルをＣ₁〜Ｃ_nとすると、消磁コイルが発生する単位電流あたりの磁場である消磁コイル効果は、船体磁気と違い経年変化が起こらないため、あらかじめ磁気測定所等において各消磁コイル効果の外部磁場を計測し(ＳＴ８)、その値から式４〜６により各消磁コイル効果の外部磁場展開係数を算出する(ＳＴ９)。次に、調定対象となる深度を設定し(ＳＴ１０)、設定深度の消磁コイル効果の外部磁場Ｈ_C1〜Ｈ_Cnを式４〜６により平面的に推定する(ＳＴ１１)。一方、ＳＴ７で算出した経年変化後の外部磁場展開係数を用いて、ＳＴ１０での設定深度における船体外部磁場を式４〜６により平面的に推定する(ＳＴ１２)。推定した船体外部磁場を各消磁コイルの磁気による船体外部磁場と重畳させて打ち消すように、消磁電流値ｉ_C1〜ｉ_Cnを最適パラメータ探索法により計算する(後述のＳＴ１３〜ＳＴ１５)。従って、ＳＴ１０での設定深度における消磁状態の外部磁場Ｈ_F/Dは、

となる。

消磁電流値ｉ_C1〜ｉ_Cnの算出は、ＳＴ１０での設定深度における消磁状態の外部磁場Ｈ_F/Dが最小となるような最適解を求める問題を解くことと同じであるが、これには、例えば遺伝的アルゴリズム(ＧＡ：Genetic Algorithms)や最急降下法、焼き鈍し法等を活用する。いずれも公知の手法のため詳細な説明は省略するが、ここでは一例として、最急降下法を用いた場合の適応例を記述する。設定深度における非消磁状態の船体外部磁場ベクトルＨ_N/Dや消磁コイル効果の外部磁場Ｈ_C1〜Ｈ_Cnを算出した後、各消磁コイルの通電値を仮設定する(ＳＴ１３)。次に設定した電流値を流したときの船体外部磁場を算出する(ＳＴ１４)。その船体外部磁場の最大値を記憶しておき、その値が徐々に少なくなり、最後に収束するまで各消磁コイルの電流値を少しずつ変化させ、収束したときの電流値が最適消磁電流値として出力され、通電される。

本実施の形態では、最適化計算により消磁電流値を求めるものであるため、制御できる消磁コイルの数や敷設場所に制限はなく、局所的な磁場を低減するために敷設されている消磁コイルも制御可能である。さらに、任意の深度を対象に消磁することが可能となる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１磁気監視部
２磁気管制部
３演算部
４消磁コイル電源部
５消磁コイル群

Claims

船体内に設けられた複数個の消磁コイルに通電して船体の磁気を低減する方法であり、
前記船体内に設置された複数個の磁気検知器で船体内部磁場を測定するステップと、
測定した前記船体内部磁場に基づいて船体外部磁場展開係数を算出するステップと、
算出した前記船体外部磁場展開係数に基づいて任意の深度における船体外部磁場を推定するステップと、
予め算出した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数に基づいて、前記任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定するステップと、
前記任意の深度における前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値を最適パラメータ探索法を用いて特定するステップと、
特定した前記消磁電流値に基づいて各消磁コイルに通電するステップとを有し、
船体内部磁位及び船体外部磁位をそれぞれ長球調和関数で展開した場合の船体内部磁場展開係数及び船体外部磁場展開係数の相関関係を予め求めておき、
前記算出するステップは、測定した前記船体内部磁場に基づいて前記船体内部磁場展開係数を算出し、前記船体内部磁場展開係数と前記相関関係とに基づいて前記船体外部磁場展開係数を算出する、船体の磁気低減方法。
請求項１に記載の方法において、前記最適パラメータ探索法が遺伝的アルゴリズムである、船体の磁気低減方法。
請求項１に記載の方法において、前記最適パラメータ探索法が最急降下法である、船体の磁気低減方法。
請求項１に記載の方法において、前記最適パラメータ探索法が焼き鈍し法である、船体の磁気低減方法。
船体内に設けられた複数個の消磁コイルと、前記船体内に設置された複数個の磁気検知器と、各磁気検知器で測定した船体内部磁場に基づいて消磁電流値を演算する演算部と、前記演算部で演算した消磁電流値に基づいて各消磁コイルに通電する消磁コイル電源部とを備え、
前記演算部は、船体内部磁位及び船体外部磁位をそれぞれ長球調和関数で展開した場合の船体内部磁場展開係数及び船体外部磁場展開係数の相関関係を予め求めておき、前記船体内部磁場に基づいて前記船体内部磁場展開係数を算出し、前記船体内部磁場展開係数と前記相関関係とに基づいて前記船体外部磁場展開係数を算出して任意の深度における船体外部磁場を推定し、一方、予め測定した各消磁コイル効果の船体外部磁場展開係数に基づいて前記任意の深度における各消磁コイル効果の船体外部磁場を推定し、前記任意の深度における前記船体外部磁場を最小にする消磁電流値を最適パラメータ探索法を用いて特定することを特徴とする、船体の磁気低減装置。