JP2009257933A - Magnetic field measuring device, nondestructive inspection device, and magnetic field measurement signal processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は，交流磁場を検出する磁気センサを備えた磁場測定装置及びそれを含む非破壊検査装置，並びに磁場測定信号処理方法に関するものである。 The present invention relates to a magnetic field measuring apparatus including a magnetic sensor for detecting an alternating magnetic field, a nondestructive inspection apparatus including the same, and a magnetic field measurement signal processing method.
近年，発電・製造・輸送・建築等の多くの産業分野で，非破壊検査の重要性が高まっている。例えば，発電所の構造物や橋梁設備等の被検体について，その表面や内部に存在する亀裂や損傷部，ボイド，組成が他と特に異なっている部分等の特異部を，それが未だ微小である段階において外部から非破壊で検出することは，安全性確保のために非常に重要である。従来，構造物の非破壊検査では，Ｘ線探傷や超音波探傷，渦電流探傷等の探傷法が採用されることが多い。
また，人体等の被検体内における微小な特異部を高感度で検査する場合に，ＳＱＵＩＤ磁気センサが用いられることがある。ＳＱＵＩＤ磁気センサは，超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を備えた磁気センサである。このＳＱＵＩＤ磁気センサは，超伝導体による量子干渉効果を利用し，例えば，地磁気の１億分の１（１ピコテスラ）以下の磁場変化を検出できる超高感度の磁気センサである。そのため，ＳＱＵＩＤ磁気センサは，被検体内のごく微小な特異部を検出したい場合の非破壊検査に採用され得る。なお，磁気センサが被検体の検査に用いられる場合，一般に，被検体の測定部位ごとに得られる磁気センサの検出信号の相対評価により被検体の検査（欠陥有無の検査等）が行われる。従って，非破壊検査等における磁気センサの検出信号は，検査対象の種類や測定環境等に応じてその絶対値が異なることについては特に問題とならない。
In recent years, the importance of non-destructive inspection has increased in many industrial fields such as power generation, manufacturing, transportation, and construction. For example, for specimens such as power plant structures and bridge facilities, the surface and interior of cracks, damaged parts, voids, and parts that are particularly different in composition, etc., are still very small. Non-destructive detection from the outside at a certain stage is very important for ensuring safety. Conventionally, in non-destructive inspection of structures, flaw detection methods such as X-ray flaw detection, ultrasonic flaw detection, and eddy current flaw detection are often employed.
In addition, a SQUID magnetic sensor may be used when a minute singular part in a subject such as a human body is examined with high sensitivity. The SQUID magnetic sensor is a magnetic sensor including a superconducting quantum interference device (SQUID). This SQUID magnetic sensor is a super-sensitive magnetic sensor that can detect a change in magnetic field of, for example, one hundred millionth of the geomagnetism (one picotela) or less using the quantum interference effect of a superconductor. Therefore, the SQUID magnetic sensor can be employed for nondestructive inspection when it is desired to detect a very small singular part in a subject. When the magnetic sensor is used for the inspection of the subject, the inspection of the subject (inspection for the presence or absence of defects, etc.) is generally performed by relative evaluation of the detection signal of the magnetic sensor obtained for each measurement site of the subject. Therefore, the detection signal of the magnetic sensor in the non-destructive inspection or the like does not particularly pose a problem in that the absolute value varies depending on the type of inspection object and the measurement environment.
図５は，ＳＱＵＩＤ磁気センサの概略構成図である。なお，特許文献１に，図５に示されるものと同様のＳＱＵＩＤ磁気センサが示されている。
図５に示されるように，ＳＱＵＩＤ磁気センサは，例えば，ピックアップコイルＡ１と，インプットコイルＡ２と，超伝導量子干渉素子Ａ３（ＳＱＵＩＤ）と，磁束固定ループ（ＦＬＬ：Flux Lock Loop）回路Ａ４とを備えている。
前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）は，ジョセフソン接合により接合されて微小なループ（超伝導ループ）を形成する超伝導体を含むデバイスである。このＳＱＵＩＤ（Ａ３）は，液体窒素等によって超伝導特性が得られる温度に冷却される。
前記ピックアップコイルＡ１が，被検体に生じている磁場を受けて誘導電流を生じさせ，そのピックアップコイルＡ１に接続された前記インプットコイルＡ２が，前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）の超伝導ループに磁場を誘導する。これにより，前記ピックアップコイルＡ１付近の磁場の強さに応じて，前記超伝導ループに磁場が誘導される。
そして，前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）においてジョセフソン接合された第１の超伝導体から第２の超伝導体へバイアス電流Ｉｂが供給されると，２つの超伝導体の間に，前記インプットコイルＡ２によって誘導された磁場の強さに応じた電圧Ｖｓが生じる。即ち，電圧Ｖｓは，前記ピックアップコイルＡ１付近の磁場の強さに応じたレベルとなる。
前記ＦＬＬ回路Ａ４は，前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）における電圧Ｖｓの信号をアンプにより増幅し，さらに積分器により積分して得られる磁場の検出信号を出力する。同時に，前記ＦＬＬ回路Ａ４は，前記超伝導ループに磁場を誘導するフィードバックコイルに対し，前記検出信号のレベルに応じたフィードバック電流Ｉｆを供給する。このＦＬＬ回路Ａ４の作用により，前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）が一定の磁場動作点で動作し，前記ＳＱＵＩＤ（Ａ３）において誘導される磁場の強さに対して線形な前記検出信号のレベル（電圧）が得られる。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the SQUID magnetic sensor.
As shown in FIG. 5, the SQUID magnetic sensor includes, for example, a pickup coil A1, an input coil A2, a superconducting quantum interference device A3 (SQUID), and a flux lock loop (FLL) circuit A4. I have.
The SQUID (A3) is a device including a superconductor that is joined by a Josephson junction to form a minute loop (superconducting loop). The SQUID (A3) is cooled to a temperature at which superconducting characteristics can be obtained with liquid nitrogen or the like.
The pickup coil A1 receives the magnetic field generated in the subject to generate an induced current, and the input coil A2 connected to the pickup coil A1 induces a magnetic field in the superconducting loop of the SQUID (A3). . Thereby, a magnetic field is induced in the superconducting loop according to the strength of the magnetic field in the vicinity of the pickup coil A1.
Then, when the bias current Ib is supplied from the first superconductor Josephson junction in the SQUID (A3) to the second superconductor, the input coil A2 causes the bias current Ib to pass between the two superconductors. A voltage Vs corresponding to the strength of the induced magnetic field is generated. That is, the voltage Vs has a level corresponding to the strength of the magnetic field near the pickup coil A1.
The FLL circuit A4 amplifies the signal of the voltage Vs in the SQUID (A3) with an amplifier, and further outputs a magnetic field detection signal obtained by integrating with an integrator. At the same time, the FLL circuit A4 supplies a feedback current If corresponding to the level of the detection signal to a feedback coil that induces a magnetic field in the superconducting loop. Due to the action of the FLL circuit A4, the SQUID (A3) operates at a constant magnetic field operating point, and the level (voltage) of the detection signal linear with respect to the strength of the magnetic field induced in the SQUID (A3) is can get.
ところで，ＳＱＵＩＤ磁気センサは，超高感度であるがゆえに，磁気シールドがなされない環境下で使用された場合には，磁気ノイズの影響を強く受けるという問題点があった。例えば，ＳＱＵＩＤ磁気センサは，屋外で使用された場合，前記ＦＬＬ回路Ａ４が正常に動作しなくなったり，前記検出信号が環境ノイズに埋没したりすることにより，正常な検出信号が得られないことが多い。
そのような問題点に対応するため，特許文献２には，測定用のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出信号と，ノイズキャンセル用のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出信号との差分信号を，測定対象の磁場の測定信号とする非破壊検査装置が示されている。
In order to deal with such problems,
特許文献２に示される技術は，２つのＳＱＵＩＤ磁気センサの個体差や位置関係が，磁場の測定信号である前記差分信号に大きく影響する。
例えば，２つのＳＱＵＩＤ磁気センサにおける磁場の検出ゲイン等の特性に個体差がある場合，その個体差の影響が前記差分信号にそのまま反映される。また，２つのＳＱＵＩＤ磁気センサの位置関係が，測定ごとに異なる場合や，測定途中に変化した（位置ずれが生じた）場合も，それらば前記差分信号にそのまま反映される。
しかしながら，複数のＳＱＵＩＤ磁気センサの個体差や位置関係を緻密に調整する作業は手間であり，また，その調整が難しいという問題点があった。
In the technique disclosed in
For example, when there is an individual difference in characteristics such as the detection gain of the magnetic field in two SQUID magnetic sensors, the influence of the individual difference is reflected as it is in the difference signal. In addition, even when the positional relationship between the two SQUID magnetic sensors is different for each measurement, or when the positional relationship is changed during the measurement (positional deviation occurs), the difference signal is reflected as it is.
However, the work of precisely adjusting individual differences and positional relationships among a plurality of SQUID magnetic sensors is troublesome and has the problem that adjustment is difficult.
一方，磁場測定の技術分野とは全く異なる音声信号処理の技術分野において，複数の音源が存在する音響環境下で収音される音響信号から，特定の音源から出力される音響に対応する目的音信号を抽出する技術が開発されている。
所定の音響空間に複数の音源と複数のマイクロホンとが存在する場合，その複数のマイクロホンごとに，複数の音源各々からの個別の音響信号（以下，音源信号という）が重畳された混合信号が入力される。このようにして入力された複数の混合信号のみに基づいて，前記音源信号各々を同定（分離）する信号源分離処理は，ブラインド信号源分離処理（以下，ＢＳＳ処理という，ＢＳＳ：Blind Source Separation）と呼ばれる。
さらに，ＢＳＳ処理の１つに，独立成分分析法（Independent Component Analysis，以下，ＩＣＡ法という）に基づくＢＳＳ処理がある。このＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理は，前記混合信号に含まれる複数の信号どうしが統計的に独立であることを利用して所定の分離行列（逆混合行列）を最適化し，入力された複数の前記混合信号に対して最適化された分離行列によるフィルタ処理を施すことにより，各信号源に対応する信号の同定（信号源分離）を行う処理である。その際，分離行列の最適化は，ある時点で設定されている分離行列を用いたフィルタ処理により同定（分離）された信号（分離信号）に基づいて，逐次計算（学習計算）により以降に用いる分離行列を算出することによって行われる。
ここで，ＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理によれば，分離信号各々は，混合信号の入力数（例えば，マイクロホンの数）と同じ数の出力端（出力チャンネルといってもよい）各々を通じて出力される。このようなＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理は，例えば，非特許文献１や非特許文献２等に詳説されている。
On the other hand, in the audio signal processing technical field, which is completely different from the magnetic field measurement technical field, the target sound corresponding to the sound output from a specific sound source from the acoustic signal collected in the acoustic environment where there are multiple sound sources exists. Techniques for extracting signals have been developed.
When a plurality of sound sources and a plurality of microphones exist in a predetermined acoustic space, a mixed signal in which individual sound signals (hereinafter referred to as sound source signals) from each of the plurality of sound sources are superimposed is input to each of the plurality of microphones. Is done. A signal source separation process for identifying (separating) each of the sound source signals based only on the plurality of mixed signals input in this manner is a blind signal source separation process (hereinafter referred to as a BSS process, BSS: Blind Source Separation). Called.
Further, as one of the BSS processes, there is a BSS process based on an independent component analysis method (hereinafter referred to as ICA method). The BSS processing based on the ICA method optimizes a predetermined separation matrix (inverse mixing matrix) by using the fact that a plurality of signals included in the mixed signal are statistically independent, This is a process for identifying a signal corresponding to each signal source (signal source separation) by performing a filtering process using an optimized separation matrix on the mixed signal. At that time, the optimization of the separation matrix is used later by sequential calculation (learning calculation) based on the signal (separated signal) identified (separated) by the filter processing using the separation matrix set at a certain time. This is done by calculating a separation matrix.
Here, according to the BSS processing based on the ICA method, each separated signal is output through each output terminal (which may be called an output channel) as many as the number of mixed signals (for example, the number of microphones). . Such BSS processing based on the ICA method is described in detail in, for example, Non-Patent
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，ＳＱＵＩＤ磁気センサに代表される高感度の磁気センサを用いて被検体における磁場（ここでは，交流磁場）を測定する場合に，手間のかかる緻密な調整を要することなく，磁気ノイズの影響の小さな（Ｓ／Ｎ比の高い）磁場の測定信号を得ることができる磁場測定装置及びそれを備えた非破壊検査装置，並びに磁場測定信号処理方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to generate a magnetic field (here, an alternating magnetic field) in a subject using a highly sensitive magnetic sensor represented by a SQUID magnetic sensor. A magnetic field measuring apparatus capable of obtaining a measurement signal of a magnetic field (high S / N ratio) with a small influence of magnetic noise without requiring elaborate and precise adjustment in measurement, and a nondestructive inspection provided with the same An apparatus and a magnetic field measurement signal processing method are provided.
上記目的を達成するために本発明に係る磁場測定装置は，磁場ピックアップ部を通じて入力される信号に基づいてその磁場ピックアップ部付近の交流磁場（強度が振動する磁場）を検出する磁気センサを複数備える。そして，本発明に係る磁場測定装置は，次の（１）〜（４）に示される各構成要素を備えている。
（１）測定対象に対向配置される前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである主磁気センサ。
（２）前記主磁気センサの前記磁場ピックアップ部と並設された他の前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである副磁気センサ。なお，この副磁気センサは，１つである場合の他，複数設けられる場合も考えられる。
（３）前記主磁気センサの検出信号と前記副磁気センサの検出信号とに基づいて，独立成分分析法に基づくブラインド信号源分離処理を行う信号源分離手段。
（４）前記信号源分離手段により得られる分離信号に基づいて前記測定対象の磁場の測定信号を導出する測定信号導出手段。
In order to achieve the above object, a magnetic field measurement apparatus according to the present invention includes a plurality of magnetic sensors that detect an alternating magnetic field (a magnetic field whose intensity oscillates) in the vicinity of the magnetic field pickup unit based on a signal input through the magnetic field pickup unit. . And the magnetic field measuring apparatus which concerns on this invention is provided with each component shown by following (1)-(4).
(1) The main magnetic sensor which is the magnetic sensor having the magnetic field pickup unit arranged to face the measurement target.
(2) A secondary magnetic sensor which is the magnetic sensor having the other magnetic field pickup unit provided in parallel with the magnetic field pickup unit of the main magnetic sensor. Note that there may be a case where a plurality of sub magnetic sensors are provided in addition to the case where there is one.
(3) Signal source separation means for performing blind signal source separation processing based on an independent component analysis method based on the detection signal of the main magnetic sensor and the detection signal of the sub magnetic sensor.
(4) Measurement signal deriving means for deriving a measurement signal of the magnetic field to be measured based on the separation signal obtained by the signal source separation means.
本発明において，前記主磁気センサは，主として測定対象における交流磁場を検出するものであるが，その検出信号には，測定対象周辺のノイズ磁場の信号成分も含まれ得る。一方，前記副磁気センサは，主として測定対象周辺のノイズ磁場（背景ノイズ）を検出するものである。なお，前記副磁気センサの検出信号にも，前記測定対象における交流磁場の信号成分が含まれ得る。ここで，測定対象における交流磁場の振動成分と，測定対象周辺のノイズ磁場の振動成分とは，統計的に独立であると想定できる。
そして，前記信号源分離手段は，主／副それぞれの検出信号に基く最適化計算（学習計算）によって分離行列（逆混合行列）を最適化し，最適化された分離行列を用いて，主／副それぞれの検出信号に対してフィルタ処理を実行する。これにより，前記主磁気センサの検出信号から，主として測定対象における交流磁場の振動成分が抽出された分離信号（以下，主分離信号という）が得られる。さらに，前記副磁気センサの検出信号から，主として測定対象周辺のノイズ磁場（背景ノイズ）の振動成分が抽出された分離信号（以下，副分離信号という）が得られる。
従って，前記測定信号導出手段は，前記分離信号に基いて，磁気ノイズの影響の小さな（Ｓ／Ｎ比の高い）測定対象における磁場の測定信号を導出することができる。
また，本発明に係る磁場測定装置は，ノイズ磁場の影響を受けやすい高感度の磁気センサが用いられる場合，例えば，前記主磁気センサ及び前記副磁気センサが，超伝導量子干渉素子を備えた磁気センサである場合に特に好適である。
In the present invention, the main magnetic sensor mainly detects an alternating magnetic field in a measurement target, but the detection signal may include a signal component of a noise magnetic field around the measurement target. On the other hand, the sub magnetic sensor mainly detects a noise magnetic field (background noise) around the measurement target. Note that the detection signal of the sub magnetic sensor may also include a signal component of the alternating magnetic field in the measurement target. Here, it can be assumed that the vibration component of the alternating magnetic field in the measurement target and the vibration component of the noise magnetic field around the measurement target are statistically independent.
The signal source separation means optimizes the separation matrix (inverse mixing matrix) by optimization calculation (learning calculation) based on the main / sub detection signals, and uses the optimized separation matrix. Filter processing is performed on each detection signal. As a result, a separation signal (hereinafter referred to as a main separation signal) in which the vibration component of the AC magnetic field in the measurement target is extracted is obtained from the detection signal of the main magnetic sensor. Furthermore, a separation signal (hereinafter referred to as a sub-separation signal) from which a vibration component of a noise magnetic field (background noise) around the measurement target is extracted is obtained from the detection signal of the sub-magnetic sensor.
Therefore, the measurement signal deriving unit can derive the measurement signal of the magnetic field in the measurement object with a small influence of magnetic noise (high S / N ratio) based on the separated signal.
In addition, the magnetic field measurement apparatus according to the present invention, when a high-sensitivity magnetic sensor that is easily affected by a noise magnetic field is used, for example, the main magnetic sensor and the sub magnetic sensor are magnetic sensors each including a superconducting quantum interference element. It is particularly suitable when it is a sensor.
前記測定信号導出手段による測定信号の導出方法としては，例えば，前記主磁気センサと前記副磁気センサとが１つずつである場合，前記信号源分離手段により得られる前記主磁気センサに対応する１つの分離信号（前記主分離信号）を測定信号とすることが考えられる。
また，前記主磁気センサの磁場ピックアップ部には，複数のノイズ源からのノイズ磁場が混入することも考えられる。この場合，前記副磁気センサが１つであると，前記信号源分離手段によって複数のノイズ源それぞれに対応する分離信号を分離生成できない。
そこで，前記信号源分離処理手段が，１つの前記主磁気センサの検出信号と複数の前記副磁気センサの検出信号それぞれとの組み合わせごとに前記ブラインド信号源分離処理を行うことが考えられる。この場合，前記測定信号導出手段が，次の（１−１）〜（１−３）のいずれかの処理を実行することが考えられる。
（１−１）前記測定信号導出手段が，前記信号源分離手段により得られる前記主磁気センサに対応する複数の分離信号それぞれのスペクトルから，周波数帯域ごとの信号成分が所定の近似条件を満たすものを抽出することによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出する。
（１−２） 前記測定信号導出手段が，前記主磁気センサの検出信号と，前記信号源分離手段により得られる複数の前記副磁気センサに対応する複数の分離信号と，の間でスペクトル減算処理を行うことによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出する。
（１−３）前記測定信号導出手段が，前記信号源分離手段により得られる前記主磁気センサに対応する複数の分離信号を合成した信号と，前記信号源分離手段により得られる複数の前記副磁気センサに対応する複数の分離信号と，の間でスペクトル減算処理を行うことによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出する。
これら（１−１）〜（１−３）のいずれかに示される測定信号導出手段によれば，複数のノイズ源からのノイズ磁場の振動成分が除かれた測定信号，即ち，Ｓ／Ｎ比の高い測定信号が得られる。
As a method of deriving a measurement signal by the measurement signal deriving unit, for example, when there is one main magnetic sensor and one sub magnetic sensor, the measurement signal deriving unit corresponds to the main magnetic sensor obtained by the signal source separating unit. One separated signal (the main separated signal) can be considered as a measurement signal.
Further, it is conceivable that noise magnetic fields from a plurality of noise sources are mixed in the magnetic field pickup section of the main magnetic sensor. In this case, if there is only one sub magnetic sensor, the signal source separating means cannot separate and generate separated signals corresponding to a plurality of noise sources.
Accordingly, it is conceivable that the signal source separation processing means performs the blind signal source separation processing for each combination of the detection signal of one main magnetic sensor and each of the detection signals of the plurality of sub magnetic sensors. In this case, it is conceivable that the measurement signal deriving means executes any one of the following processes (1-1) to (1-3).
(1-1) The measurement signal deriving unit has a signal component for each frequency band satisfying a predetermined approximation condition from the spectrum of each of a plurality of separated signals corresponding to the main magnetic sensor obtained by the signal source separating unit. The measurement signal of the magnetic field to be measured is derived by extracting.
(1-2) The measurement signal deriving unit performs spectral subtraction processing between the detection signal of the main magnetic sensor and a plurality of separated signals corresponding to the plurality of sub magnetic sensors obtained by the signal source separating unit. To derive a measurement signal of the magnetic field to be measured.
(1-3) The measurement signal deriving means combines a plurality of separation signals corresponding to the main magnetic sensor obtained by the signal source separation means and a plurality of the sub-magnets obtained by the signal source separation means. A measurement signal of the magnetic field to be measured is derived by performing a spectral subtraction process with a plurality of separated signals corresponding to the sensor.
According to the measurement signal deriving means shown in any one of (1-1) to (1-3), the measurement signal from which the vibration component of the noise magnetic field from a plurality of noise sources is removed, that is, the S / N ratio. A high measurement signal can be obtained.
また，本発明は，測定対象における磁場を測定することにより，その測定対象における特異な部分（亀裂や損傷部，ボイド，組成が他と特に異なっている部分等）の有無を検出する非破壊検査装置として捉えることもできる。
即ち，本発明に係る非破壊検査装置は，次の（２−１）及び（２−２）に示される各構成要素を備えている。
（２−１）前述した本発明に係る磁場測定装置。
（２−２）前記磁場測定装置における磁場ピックアップ部が測定対象に対し走査されることによって得られるその測定対象における磁場の測定信号の分布に基いて，前記測定対象における特異な部分の有無を検出する特異部検出手段。
本発明に係る非破壊検査装置によれば，屋外に存在する測定対象等，磁気シールドがなされていない測定対象における微小な特異部の有無を，ノイズ磁場の影響を受けずに高感度で検査することができる。
また，本発明は，磁場ピックアップ部付近の交流磁場を検出する複数の磁気センサからその検出信号を取得し，その検出信号に基づいて測定対象の磁場の測定信号を導出する処理を，コンピュータによって実行する磁場測定信号処理方法として捉えることもできる。
即ち，本発明に係る磁場測定信号処理方法は，次の（３−１）〜（３−４）に示される各手順をコンピュータにより実行する方法である。
（３−１）前記測定対象に対向配置される前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである主磁気センサから検出信号を取得する主検出信号取得手順。
（３−２）前記主磁気センサの前記磁場ピックアップ部と並設された他の前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである副磁気センサから検出信号を取得する副検出信号取得手順。
（３−３）前記主磁気センサの検出信号と前記副磁気センサの検出信号とに基づいて，独立成分分析法に基づくブラインド信号源分離処理を行う信号源分離手順。
（３−４）前記信号源分離手順により得られる分離信号に基づいて前記測定対象の磁場の測定信号を導出する測定信号導出手順。
In addition, the present invention is a nondestructive inspection that detects the presence or absence of a specific part (a crack, a damaged part, a void, a part having a different composition from others) by measuring the magnetic field in the measurement object. It can also be understood as a device.
That is, the nondestructive inspection apparatus according to the present invention includes the components shown in the following (2-1) and (2-2).
(2-1) The magnetic field measuring apparatus according to the present invention described above.
(2-2) Based on the distribution of the measurement signal of the magnetic field in the measurement object obtained by scanning the measurement object with the magnetic field pickup unit in the magnetic field measurement device, the presence or absence of a specific portion in the measurement object is detected. A singular part detecting means.
According to the nondestructive inspection apparatus according to the present invention, the presence or absence of a minute singular part in a measurement target that is not magnetically shielded such as a measurement target that exists outdoors is inspected with high sensitivity without being affected by a noise magnetic field. be able to.
In the present invention, the computer acquires a detection signal from a plurality of magnetic sensors that detect an alternating magnetic field near the magnetic pickup unit, and derives a measurement signal of the magnetic field to be measured based on the detection signal by a computer. It can also be understood as a magnetic field measurement signal processing method.
That is, the magnetic field measurement signal processing method according to the present invention is a method in which each procedure shown in the following (3-1) to (3-4) is executed by a computer.
(3-1) A main detection signal acquisition procedure for acquiring a detection signal from a main magnetic sensor which is the magnetic sensor having the magnetic field pickup unit disposed to face the measurement target.
(3-2) A sub-detection signal acquisition procedure for acquiring a detection signal from a sub-magnetic sensor which is the magnetic sensor having the other magnetic field pickup unit arranged in parallel with the magnetic field pickup unit of the main magnetic sensor.
(3-3) A signal source separation procedure for performing blind signal source separation processing based on an independent component analysis method based on the detection signal of the main magnetic sensor and the detection signal of the sub magnetic sensor.
(3-4) A measurement signal deriving procedure for deriving a measurement signal of the magnetic field to be measured based on the separation signal obtained by the signal source separation procedure.
本発明によれば，ＳＱＵＩＤ磁気センサに代表される高感度の磁気センサを用いて被検体における交流磁場を測定する場合に，手間のかかる緻密な調整を要することなく，磁気ノイズの影響の小さな（Ｓ／Ｎ比の高い）磁場の測定信号を得ることができる。 According to the present invention, when measuring an alternating magnetic field in a subject using a high-sensitivity magnetic sensor represented by a SQUID magnetic sensor, the influence of magnetic noise is small without requiring elaborate and precise adjustment ( A measurement signal of a magnetic field having a high S / N ratio can be obtained.
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施形態に係る非破壊検査装置Ｘの概略構成図，図２は本発明の第１実施形態に係る磁場測定装置Ｗ１の概略構成を表すブロック図，図３は本発明の第２実施形態に係る磁場測定装置Ｗ２の概略構成を表すブロック図，図４は本発明の第３実施形態に係る磁場測定装置Ｗ３の概略構成を表すブロック図，図５はＳＱＵＩＤ磁気センサの概略構成図，図６はＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理を行う信号源分離装置Ｚの概略構成を表すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that the present invention can be understood. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
1 is a schematic configuration diagram of a nondestructive inspection apparatus X according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic field measuring apparatus W1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic field measurement apparatus W2 according to the second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic field measurement apparatus W3 according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a SQUID magnetism. FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a signal source separation device Z that performs BSS processing based on the ICA method.
まず，図１に示される概略構成図を参照しつつ，本発明の実施形態に係る非破壊検査装置Ｘの構成について説明する。
非破壊検査装置Ｘは，磁場測定装置Ｗを備え，その磁場測定装置Ｗの磁場ピックアップ部を被検体１に対し走査させて得られる磁場の測定信号の分布から，被検体１の表面や内部における特異な部分（特異部）の有無を検出する装置である。前記被検体１は，屋外に存在する構造物等，磁気シールドがなされていない環境下に存在する測定対象である。また，前記特異部は，前記被検体１の表面や内分に存在する亀裂や損傷部，ボイド，或いは組成（材質）が他と特に異なっている部分等である。
前記被検体１は，その表面や内部において交流磁場が生じているものである。例えば，前記被検体１は，微弱な電流が流れる金属製の配管等であって，その電流の変動や物理的な振動等によって交流磁場が生じているもの等が考えられる。また，前記被検体１が，それ自体が交流磁場を発するものではない場合，前記被検体１に対して交流電流を印加すること，或いは一様な交流磁場を放射すること等により，強制的に前記被検体１内に磁場を生じさせることも考えられる。
交流磁場が生じている被検体１において，その表面や内部に前記特異部が存在すると，その特異部において磁場の乱れ（他の部分と異なる磁場）が生じる。
非破壊検査装置Ｘは，被検体１における交流磁場の検出信号から，前記特異部で生じる磁場の乱れの有無を検出することにより，前記特異部の有無を検出する装置である。
First, the configuration of the nondestructive inspection apparatus X according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram shown in FIG.
The nondestructive inspection apparatus X includes a magnetic field measurement device W, and the distribution of the measurement signal of the magnetic field obtained by scanning the magnetic field pickup unit of the magnetic field measurement device W with respect to the subject 1 It is a device that detects the presence or absence of a specific part (singular part). The
The
In the subject 1 in which an alternating magnetic field is generated, if the singular part is present on the surface or inside thereof, magnetic field disturbance (magnetic field different from other parts) is generated in the singular part.
The nondestructive inspection apparatus X is an apparatus that detects the presence / absence of the singular part by detecting the presence / absence of magnetic field disturbance generated in the singular part from the detection signal of the alternating magnetic field in the
図１に示されるように，前記非破壊検査装置Ｘは，ＳＱＵＩＤ磁気センサＡと，磁場測定信号処理装置Ｂと，信号解析装置Ｃと，冷却装置Ｄと，可動式支持装置Ｅとを備えている。
前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡには，複数のＳＱＵＩＤ磁気センサが含まれ，その１つを主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍと称し，残りの２つを副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓと称する。これら主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ及び副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓは，ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）を備えた磁気センサであり，それぞれ図５に示されたものと同じものである。なお，前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡにおけるＦＬＬ回路Ａ４（主：Ａ４ｍ，副：Ａ４ｓ）の積分器（図５参照）は，被検体１における交流磁場の交流成分を通過し，その交流成分が前記検出信号に表れるよう，十分に長い時定数が設定されている。
ここで，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍに設けられた磁場ピックアップ部であるピックアップコイルＡ１ｍは，被検体１の表面から僅かに離間した位置でその被検体１に対向して配置される。以下，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍにおけるピックアップコイルＡ１ｍのことを，主ピックアップコイルＡ１ｍと称する。
また，前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓに設けられたピックアップコイルＡ１ｓは，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍのピックアップコイルＡ１ｍと並設されている。以下，前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓにおけるピックアップコイルＡ１ｓのことを，副ピックアップコイルＡ１ｓと称する。
例えば，２つの前記副ピックアップコイルＡ１ｓは，前記主ピックアップコイルＡ１ｍに対し，その両側の位置に並設される。なお，前記主ピックアップコイルＡ１ｍと前記副ピックアップコイルＡ１ｓとの相対的な位置関係は固定されている。
前記主ピックアップコイルＡ１ｍは，主として被検体１の対向する部分（以下，測定部位という）における交流磁場をピックアップするものであるが，前記測定部位の周辺にノイズ磁場が生じている場合，そのノイズ磁場もピックアップしてしまう。
一方，前記副ピックアップコイルＡ１ｓは，主として前記測定部位周辺のノイズ磁場（背景ノイズ）をピックアップするものである。
以下，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍによる被検体１における磁場の検出信号を主検出信号Ｖｍ，前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓによる磁場の検出信号を副検出信号Ｖｓと称する。これら主検出信号Ｖｍ及び副検出信号Ｖｓは，前記磁場測定信号処理装置Ｂへ伝送される。
As shown in FIG. 1, the nondestructive inspection device X includes a SQUID magnetic sensor A, a magnetic field measurement signal processing device B, a signal analysis device C, a cooling device D, and a movable support device E. Yes.
The SQUID magnetic sensor A includes a plurality of SQUID magnetic sensors, one of which is called a main SQUID magnetic sensor Am, and the other two are called sub-SQUID magnetic sensors As. The main SQUID magnetic sensor Am and the sub SQUID magnetic sensor As are magnetic sensors each having a SQUID (superconducting quantum interference device), and are the same as those shown in FIG. The integrator (see FIG. 5) of the FLL circuit A4 (main: A4m, sub: A4s) in the SQUID magnetic sensor A passes the AC component of the AC magnetic field in the
Here, a pickup coil A1m, which is a magnetic field pickup section provided in the main SQUID magnetic sensor Am, is arranged to face the subject 1 at a position slightly separated from the surface of the
The pickup coil A1s provided in the sub SQUID magnetic sensor As is provided in parallel with the pickup coil A1m of the main SQUID magnetic sensor Am. Hereinafter, the pickup coil A1s in the sub SQUID magnetic sensor As is referred to as a sub pickup coil A1s.
For example, the two sub-pickup coils A1s are juxtaposed at positions on both sides of the main pickup coil A1m. The relative positional relationship between the main pickup coil A1m and the sub pickup coil A1s is fixed.
The main pick-up coil A1m mainly picks up an alternating magnetic field in a portion facing the subject 1 (hereinafter referred to as a measurement site). When a noise magnetic field is generated around the measurement site, the noise magnetic field is generated. Also pick up.
On the other hand, the sub-pickup coil A1s mainly picks up a noise magnetic field (background noise) around the measurement site.
Hereinafter, the detection signal of the magnetic field in the subject 1 by the main SQUID magnetic sensor Am is referred to as a main detection signal Vm, and the detection signal of the magnetic field by the sub SQUID magnetic sensor As is referred to as a sub detection signal Vs. The main detection signal Vm and the sub detection signal Vs are transmitted to the magnetic field measurement signal processing device B.
前記冷却装置Ｄは，液体窒素が収容された冷却容器Ｄ１を備えている。この冷却容器Ｄ１の外面の一部に，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ及び前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓそれぞれのデバイス部Ａｍ３，Ａｓ３（図５におけるＳＱＵＩＤ（Ａ３）に相当）が取り付けられている。
前記冷却容器Ｄ１の壁は，内外の断熱性を高めるため，真空層が内包された壁となっている。但し，前記冷却容器Ｄ１の壁における，前記デバイス部Ａｍ３，Ａｓ３と接する部分には，そのデバイス部Ａｍ３，Ａｓ３と液体窒素との間で効率的な熱交換が行われるように，熱伝導率の高い伝熱プレートＤ２が設けられている。
The cooling device D includes a cooling container D1 in which liquid nitrogen is accommodated. Device parts Am3 and As3 (corresponding to SQUID (A3) in FIG. 5) of the main SQUID magnetic sensor Am and the sub SQUID magnetic sensor As are attached to a part of the outer surface of the cooling container D1.
The wall of the cooling container D1 is a wall in which a vacuum layer is included in order to improve the heat insulation inside and outside. However, the portion of the wall of the cooling container D1 in contact with the device portions Am3, As3 has a thermal conductivity so that efficient heat exchange is performed between the device portions Am3, As3 and liquid nitrogen. A high heat transfer plate D2 is provided.
また，前記可動式支持装置Ｅは，前記冷却装置Ｄ及び前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡを支持するとともに，その支持位置を被検体１の表面に沿って移動させるものである。
図１に示される前記可動式支持装置Ｅは，被検体１の表面に対し一定の間隔で形成されたレール３と，そのレール３に支持された移動装置２と，その移動装置２の前記レール３上の位置を検出する位置センサ４とを備えている。
前記移動装置２は，前記冷却装置Ｄ及び前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡを保持しつつ前記レール３に沿って移動することにより，前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡにおける前記主ピックアップコイルＡ１ｍを被検体１に対して走査させる。
また，前記位置センサ４は，例えば，前記移動装置２の移動に応じてその移動距離をカウントアップするポジショナ等である。この位置センサ４の検出結果は，前記信号解析装置Ｃへ伝送される。
The movable support device E supports the cooling device D and the SQUID magnetic sensor A and moves the support position along the surface of the
The movable support device E shown in FIG. 1 includes a
The moving
The position sensor 4 is, for example, a positioner that counts up the moving distance according to the movement of the moving
前記磁場測定信号処理装置Ｂは，前記ピックアップコイルＡ１ｍ，Ａ１ｓ付近の交流磁場を検出する複数のＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ，Ａｓそれぞれからその検出信号を取得し，その検出信号に基づいて被検体１における磁場の測定信号を導出する処理を実行する装置である。前記磁場測定信号処理装置Ｂは，例えば，コンピュータの一例であるＤＳＰ(Digital Signal Processor)及びそのＤＳＰにより実行されるプログラムが記憶されたＲＯＭ，或いはＡＳＩＣ等により具現化される。この場合，そのＲＯＭには，前記ＤＳＰが，後述する信号源分離処理部１０，前記主分離信号合成処理部２０及びスペクトル減算処理部３１等として機能するために実行するプログラムが予め記憶されている。
前記信号解析装置Ｃは，前記磁場測定信号処理装置Ｂから被検体１における磁場の測定信号（以下，測定部磁場信号Ｓｇと称する）と，前記位置センサ４の検出信号（位置情報）とを取得し，それらの信号に基づいて特異部検出処理を実行するコンピュータである。
前記特異部検出処理は，前記磁場測定装置Ｗにおける前記ピックアップコイルＡ１ｍが被検体１に対し走査されることによって得られる前記測定部磁場信号Ｓｇの分布に基いて，被検体１の各位置における特異部の有無を検出する処理である。
例えば，前記信号解析装置Ｃは，前記測定部位ごとに所定時間内に得られる前記測定部磁場信号Ｓｇの平均値や標準偏差を算出する。そして，前記信号解析装置Ｃは，ある測定部位について得られた前記測定部磁場信号Ｓｇの平均値又は標準偏差が，その前後の測定部位について得られた同平均値や標準偏差に対し，予め設定された差分以上の差がある場合に，当該測定部位に前記特異部が存在すると判別する。なお，前記特異部検出処理は，本発明における特徴をなす部分ではない。
The magnetic field measurement signal processing device B acquires the detection signals from each of the plurality of SQUID magnetic sensors Am and As that detect the alternating magnetic field in the vicinity of the pickup coils A1m and A1s, and based on the detection signals, the magnetic field in the subject 1 It is an apparatus which performs the process which derives | leads-out the measurement signal. The magnetic field measurement signal processing device B is embodied by, for example, a DSP (Digital Signal Processor) which is an example of a computer, a ROM storing a program executed by the DSP, or an ASIC. In this case, the ROM stores in advance a program executed by the DSP to function as a signal source separation processing unit 10, a main separation signal
The signal analyzer C acquires a magnetic field measurement signal (hereinafter referred to as a measurement unit magnetic field signal Sg) in the
The singular part detection process is performed based on a distribution of the measurement part magnetic field signal Sg obtained by scanning the subject 1 with the pickup coil A1m in the magnetic field measuring device W. This is processing for detecting the presence or absence of a part.
For example, the signal analyzer C calculates an average value and a standard deviation of the measurement unit magnetic field signal Sg obtained within a predetermined time for each measurement site. Then, the signal analyzing apparatus C sets the average value or standard deviation of the measurement unit magnetic field signal Sg obtained for a certain measurement site in advance with respect to the same average value or standard deviation obtained for the measurement site before and after that. If there is a difference that is greater than or equal to the calculated difference, it is determined that the singular part is present at the measurement site. Note that the singular part detection process is not a characteristic part of the present invention.
以下，前記非破壊検査装置Ｘにおいて前記磁場測定装置Ｗとして採用され得る３つの実施形態である磁場測定装置Ｗ１〜Ｗ３それぞれについて説明する。
なお，前記磁場測定装置Ｗ１〜Ｗ３は，前記磁場測定信号処理装置Ｂの部分のみが異なり，その他の構成は同じである。以下，前記磁場測定装置Ｗ１〜Ｗ３それぞれが備える前記磁場測定信号処理装置Ｂを，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３として区別する。
［磁場測定信号処理装置Ｂ１］
まず，図２に示されるブロック図を参照しつつ，第１実施形態に係る磁場測定装置Ｗ１が備える磁場測定信号処理装置Ｂ１について説明する。
図２に示されるように，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１は，信号源分離処理部１０−１，１０−２と，主分離信号合成処理部２０と，スペクトル減算処理部３１とを備えている。
前記信号源分離処理部１０−１，１０−２は，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍを通じて得られる前記主検出信号Ｖｍと，複数の前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓを通じて得られる前記副検出信号Ｖｓそれぞれとの組み合わせごとに設けられている。
そして，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２は，前記主検出信号Ｖｍ及び前記副検出信号Ｖｃに基づいて，ＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理（信号源分離処理）を行う。これにより，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍに対応する第１の分離信号と，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍに対応する第２の分離信号とが得られる。以下，前記第１の分離信号を主分離信号Ｖｍ’，前記第２の分離信号を副分離信号Ｖｓ’と称する。
なお，各ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ，Ａｓと前記信号源分離処理部１０−１，１０−２との間には，不図示のＡ／Ｄコンバータが設けられている。そのＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換された検出信号が，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２に伝送される。なお，前記Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期は，測定対象とする交流磁場の周波数に応じて設定される。
ここで，前記信号源分離処理部１０−１，１０−１は，非特許文献１や非特許文献２に示される独立成分分析法に基づくブラインド信号源分離処理（ＩＣＡ−ＢＳＳ処理）を実行するものである。
Hereinafter, each of the magnetic field measuring apparatuses W1 to W3, which are three embodiments that can be employed as the magnetic field measuring apparatus W in the nondestructive inspection apparatus X, will be described.
The magnetic field measurement devices W1 to W3 are different only in the magnetic field measurement signal processing device B, and the other configurations are the same. Hereinafter, the magnetic field measurement signal processing device B included in each of the magnetic field measurement devices W1 to W3 is distinguished as the magnetic field measurement signal processing devices B1, B2, and B3.
[Magnetic field measurement signal processor B1]
First, the magnetic field measurement signal processing device B1 provided in the magnetic field measurement device W1 according to the first embodiment will be described with reference to the block diagram shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the magnetic field measurement signal processing device B <b> 1 includes signal source separation processing units 10-1 and 10-2, a main separation signal
The signal source separation processing units 10-1 and 10-2 include the main detection signal Vm obtained through the main SQUID magnetic sensor Am and the sub detection signals Vs obtained through the plurality of sub SQUID magnetic sensors As. It is provided for each combination.
The signal source separation processing units 10-1 and 10-2 perform BSS processing (signal source separation processing) based on the ICA method based on the main detection signal Vm and the sub detection signal Vc. As a result, a first separation signal corresponding to the main SQUID magnetic sensor Am and a second separation signal corresponding to the main SQUID magnetic sensor Am are obtained. Hereinafter, the first separation signal is referred to as a main separation signal Vm ′, and the second separation signal is referred to as a sub separation signal Vs ′.
An A / D converter (not shown) is provided between each SQUID magnetic sensor Am, As and the signal source separation processing units 10-1, 10-2. The detection signals converted into digital signals by the A / D converter are transmitted to the signal source separation processing units 10-1 and 10-2. The sampling period of the A / D converter is set according to the frequency of the alternating magnetic field to be measured.
Here, the signal source separation processing units 10-1 and 10-1 execute blind signal source separation processing (ICA-BSS processing) based on the independent component analysis method shown in
以下，図６に示すブロック図を参照しつつ，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２として採用可能な信号源分離装置Ｚについて説明する。図６に示される前記信号源分離装置Ｚは，ＩＣＡ−ＢＳＳ処理の一例であるＦＤＩＣＡ方式（Frequency-Domain ICA）の信号源分離処理を行うものである。
ＦＤＩＣＡ方式の信号源分離処理では，まず，時系列信号である入力信号ｘ(ｔ)について，ＳＴ−ＤＦＴ処理部１３によって所定の周期ごとに区分された信号であるフレーム毎に短時間離散フーリエ変換（Short Time Discrete Fourier Transform，以下，ＳＴ−ＤＦＴ処理という）を行い，観測信号の短時間分析を行う。なお，前記入力信号ｘ(ｔ)は，前記主検出信号Ｖｍ及び前記副検出信号Ｖｓに相当する。
そして，そのＳＴ−ＤＦＴ処理後の各チャンネルの信号（各周波数成分の信号）について，分離演算処理部１１ｆにより分離行列Ｗ(ｆ)に基づくフィルタ処理（分離演算処理）を施すことによって信号源分離（音源信号の同定）を行う。ここでｆを周波数ビン，ｍを分析フレーム番号とすると，分離信号（同定信号）ｙ(ｆ，ｍ)は，次の（１）式のように表すことができる。
ここで，分離行列Ｗ(ｆ)を学習して更新する処理を表す式は，例えば次の（２）式のように表すことができる。
図６において，前記主検出信号Ｖｍに対応する分離信号ｙ1(ｆ)が前記主分離信号Ｖｍ’である。また，前記副検出信号Ｖｓに対応する分離信号ｙ2(ｆ)が前記副分離信号Ｖｓ’である。但し，分離信号ｙ1(ｆ)，ｙ2(ｆ)，即ち，前記主分離信号Ｖｍ’及び前記副分離信号Ｖｓ’は，周波数領域の信号である。
また，（１）式に基づく分離演算処理（フィルタ処理）は，前記検出信号Ｖｍ，Ｖｓが所定周期で区分されたフレーム信号ごとに行われる。このフィルタ処理は，演算負荷の小さな処理であり，実用的なプロセッサによってリアルタイムでの処理を実現できる。
また，前記分離行列Ｗ(ｆ)を求めるための（２）式に基づく学習計算（逐次計算）も，前記フィルタ処理と並行して行われる。
前記信号源分離処理部１０−１，１０−２を構成するプロセッサは，前記分離演算処理をリアルタイムで行いつつ，空き時間において前記学習計算を随時行う。これにより，リアルタイムでの信号源分離処理が行われる。
なお，図６においては，入力信号ｘ1，ｘ2のチャンネル数（即ち，ＳＱＵＩＤ磁気センサの数）が２つである例について示しているが，（チャンネル数ｎ）≧（信号源の数ｍ）であれば，３チャンネル以上であっても同様の構成により実現できる。
Hereinafter, the signal source separation device Z that can be employed as the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 will be described with reference to the block diagram shown in FIG. The signal source separation device Z shown in FIG. 6 performs FDICA (Frequency-Domain ICA) signal source separation processing, which is an example of ICA-BSS processing.
In the signal source separation process of the FDICA method, first, a short-time discrete Fourier transform is performed for each frame that is a signal divided by the ST-
Then, the signal processing of each channel (signal of each frequency component) after the ST-DFT processing is performed by performing filtering processing (separation calculation processing) based on the separation matrix W (f) by the separation
Here, an expression representing the process of learning and updating the separation matrix W (f) can be expressed as, for example, the following expression (2).
In FIG. 6, the separation signal y1 (f) corresponding to the main detection signal Vm is the main separation signal Vm ′. Further, the separation signal y2 (f) corresponding to the sub detection signal Vs is the sub separation signal Vs ′. However, the separation signals y1 (f) and y2 (f), that is, the main separation signal Vm ′ and the sub-separation signal Vs ′ are signals in the frequency domain.
Further, the separation calculation process (filter process) based on the equation (1) is performed for each frame signal obtained by dividing the detection signals Vm and Vs at a predetermined period. This filter processing is a processing with a small calculation load, and real-time processing can be realized by a practical processor.
Further, learning calculation (sequential calculation) based on equation (2) for obtaining the separation matrix W (f) is also performed in parallel with the filter processing.
The processors constituting the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 perform the learning calculation as needed in the idle time while performing the separation calculation processing in real time. Thereby, signal source separation processing is performed in real time.
FIG. 6 shows an example in which the number of channels of the input signals x1 and x2 (that is, the number of SQUID magnetic sensors) is two, but (number of channels n) ≧ (number of signal sources m). If there are three or more channels, the same configuration can be realized.
また，前記磁場測定信号処理装置Ｗ１において，前記主分離信号合成処理部２０は，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２それぞれにより得られる複数の前記主分離信号Ｖｍ’の合成処理を実行し，それにより得られる合成信号を出力するものである。
例えば，前記主分離信号合成処理部２０は，複数の前記主分離信号Ｖｍ’について，複数に区分された周波数成分（周波数ビン）ごとに平均処理や加重平均処理を実行すること等により，それら主分離信号Ｖｍ’を合成する。
また，前記スペクトル減算処理部３１は，前記主分離信号合成処理部２０により得られた合成信号と，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２それぞれにより分離生成された複数の前記副分離信号Ｖｓ’との間でスペクトル減算処理を行う。さらに，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１は，不図示の逆フーリエ変換処理部により，前記スペクトル減算処理によって得られた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換し，変換後の信号を前記測定部磁場信号Ｓｇとして出力する。
このように，前記主分離信号合成処理部２０，前記スペクトル減算処理部３１及び不図示の前記逆フーリエ変換処理部は，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２により得られる複数の前記主分離信号Ｖｍ’を合成した信号と，同じく前記信号源分離処理部１０−１，１０−２により得られる複数の前記副分離信号Ｖｓ’との間でスペクトル減算処理を行うことにより，前記測定部磁場信号Ｓｇを導出する測定信号導出手段の一例である。
In the magnetic field measurement signal processing device W1, the main separation signal
For example, the main separated signal
In addition, the spectrum
As described above, the main separation signal
前記信号源分離処理部１０−１，１０−２により得られる前記主分離信号Ｖｍ’は，被検体１の測定部位における磁場の信号成分が抽出されたものであるが，除去しきれずに残ったノイズ成分が含まれることも考えられる。そのノイズ成分は，複数の前記主分離信号Ｖｍそれぞれにおいて共通性のない状態で存在することが多いと考えられる。
そこで，前記主分離信号合成処理部２０が，共通性のないノイズ成分を含む複数の前記主分離信号Ｖｍ’を合成（例えば，スペクトル合成）することにより，その合成信号は，共通性のある測定部位の磁場の信号成分がノイズ成分よりも強調されたする信号となる。
さらに，前記スペクトル減算処理部３１が，前記合成信号のスペクトルから，主としてノイズ成分が抽出された前記副分離信号Ｖｓ’のスペクトルを減算することにより，前記合成信号からさらにノイズ成分が除去される。
これにより，非常にＳ／Ｎ比の高い前記測定部磁場信号Ｓｇが得られる。
なお，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１が，前記主分離信号合成処理部２０により得られる前記合成信号を，前記測定部磁場信号Ｓｇとして出力することも考えられる。
The main separation signal Vm ′ obtained by the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 is obtained by extracting the signal component of the magnetic field at the measurement site of the subject 1, but remains without being removed. It is also conceivable that a noise component is included. It is considered that the noise component often exists in a state having no commonness in each of the plurality of main separation signals Vm.
Therefore, the main separated signal
Further, the spectrum
Thereby, the measurement part magnetic field signal Sg having a very high S / N ratio is obtained.
It is also conceivable that the magnetic field measurement signal processing device B1 outputs the synthesized signal obtained by the main separation signal
［磁場測定信号処理装置Ｂ２］
次に，図３に示されるブロック図を参照しつつ，第２実施形態に係る磁場測定装置Ｗ２が備える磁場測定信号処理装置Ｂ２について説明する。なお，図３において，磁場測定信号処理装置Ｂ２が備える構成要素のうち，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１が備えるものと同じ処理を実行する構成要素については図２における符号と同じ符号が付されている。
図３に示されるように，前記磁場測定信号処理装置Ｂ２は，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２と，スペクトル近似信号抽出処理部３２とを備えている。以下，前記磁場測定信号処理装置Ｂ２について，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１と異なる部分についてのみ説明する。
[Magnetic field measurement signal processor B2]
Next, the magnetic field measurement signal processing device B2 provided in the magnetic field measurement device W2 according to the second embodiment will be described with reference to the block diagram shown in FIG. In FIG. 3, among the constituent elements included in the magnetic field measurement signal processing device B <b> 2, constituent elements that perform the same processing as those included in the magnetic field measurement signal processing device B <b> 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG. 2. Yes.
As shown in FIG. 3, the magnetic field measurement signal processing device B <b> 2 includes the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 and a spectrum approximation signal
前記スペクトル近似信号抽出処理部３２は，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２によって分離生成された複数の前記主分離信号Ｖｍ’について，複数に区分された周波数帯域（周波数ビン）ごとの信号成分のうち，その信号成分が前記主分離信号Ｖｍ’相互間で所定の近似条件を満たすものを抽出する。このように抽出された周波数領域の信号は，不図示の前記逆フーリエ変換処理部によって時間領域の信号に変換され，変換後の信号が，前記測定部磁場信号Ｓｇとして出力される。
例えば，前記スペクトル近似信号抽出処理部３２は，複数の前記主分離信号Ｖｍ’について，周波数ビンごとにそれらの信号成分のレベル（パワー）を比較し，そのレベルの比や差が予め定められた範囲内にあるという前記近似条件を満たす場合に，それらの信号成分のいずれか１つを選択する，又はそれらの信号成分を合成する（例えば平均値や最小値を算出する）ことによって前記測定部磁場信号Ｓｇを抽出する。
前記信号源分離処理部１０−１，１０−２により得られる前記主分離信号Ｖｍ’は，被検体１の測定部位における磁場の信号成分が抽出されたものであるが，除去しきれずに残ったノイズ成分が残存していることも考えられる。そのノイズ成分は，複数の前記主分離信号Ｖｍそれぞれにおいて共通性のない状態で存在することが多いと考えられる。
そこで，前記スペクトル近似信号抽出処理部３２は，共通性のないノイズ成分を含む複数の前記主分離信号Ｖｍ’のスペクトルから，共通性のある（近似条件を満たす）信号成分を測定部位の磁場の信号成分であるとして抽出することにより，前記主分離信号Ｖｍ’からノイズ成分を除去する。
これにより，Ｓ／Ｎ比の高い前記測定部磁場信号Ｓｇが得られる。
なお，前記スペクトル近似信号抽出処理部３２及び不図示の前記逆フーリエ変換処理部が，複数の前記主分離信号Ｖｍ’それぞれのスペクトルから，周波数帯域ごとの信号成分が所定の近似条件を満たすものを抽出することによって前記測定部磁場信号Ｓｇを導出する測定信号導出手段の一例である。
The spectrum approximate signal
For example, the spectrum approximation signal
The main separation signal Vm ′ obtained by the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 is obtained by extracting the signal component of the magnetic field at the measurement site of the subject 1, but remains without being removed. It is also conceivable that noise components remain. It is considered that the noise component often exists in a state having no commonness in each of the plurality of main separation signals Vm.
Therefore, the spectrum approximate signal
Thereby, the measurement part magnetic field signal Sg having a high S / N ratio is obtained.
Note that the spectrum approximate signal
［磁場測定信号処理装置Ｂ２］
次に，図４に示されるブロック図を参照しつつ，第３実施形態に係る磁場測定装置Ｗ３が備える磁場測定信号処理装置Ｂ３について説明する。なお，図４において，磁場測定信号処理装置Ｂ３が備える構成要素のうち，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１，Ｂ２が備えるものと同じ処理を実行する構成要素については図２，３における符号と同じ符号が付されている。
図４に示されるように，前記磁場測定信号処理装置Ｂ３は，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２と，スペクトル減算処理部３１’とを備えている。以下，前記磁場測定信号処理装置Ｂ３について，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１と異なる部分についてのみ説明する。
前記スペクトル減算処理部３１’は，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍを通じて得られる前記主検出信号Ｖｍと，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２により分離生成された複数の前記副分離信号Ｖｓ’との間で前述したスペクトル減算処理を行う。このスペクトル減算処理部３１’は，処理対象（観測信号）が前記合成信号から前記主検出信号Ｖｍに置き換わったこと以外は，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１における前記スペクトル減算処理部３１と同じものである。
前記スペクトル減算処理部３１’は，ノイズ成分を含む前記主検出信号Ｖｍのスペクトルから，ノイズ成分が抽出された信号である前記副分離信号Ｖｓ’それぞれのスペクトルを減算することにより，前記主検出信号Ｖｍからノイズ成分を除去する。
これにより，Ｓ／Ｎ比の高い前記測定部磁場信号Ｓｇが得られる。
なお，前記スペクトル減算処理部３１’及び不図示の前記逆フーリエ変換処理部が，前記主検出信号Ｖｍと複数の前記副分離信号Ｖｓ’との間でスペクトル減算処理を行うことによって前記測定部磁場信号Ｓｇを導出する測定信号導出手段の一例である。
[Magnetic field measurement signal processor B2]
Next, the magnetic field measurement signal processing device B3 provided in the magnetic field measurement device W3 according to the third embodiment will be described with reference to the block diagram shown in FIG. In FIG. 4, among the components included in the magnetic field measurement signal processing device B3, the components that execute the same processing as that included in the magnetic field measurement signal processing devices B1 and B2 are the same as those in FIGS. Is attached.
As shown in FIG. 4, the magnetic field measurement signal processing device B3 includes the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 and a spectrum
The spectrum
The spectrum
Thereby, the measurement part magnetic field signal Sg having a high S / N ratio is obtained.
The spectral
また，ＩＣＡ法に基づくＢＳＳ処理は，入力信号に混在する複数の信号成分の統計的な独立性（相関の低さ）に基づいて信号源分離を行う処理である。そのため，複数の前記ピックアップコイルＡ１ｍ，Ａ１ｓの位置関係のずれや，複数の前記ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ，Ａｓそれぞれの検出ゲインの個体差等に起因して，入力信号に混在する各信号成分の振幅等に多少のばらつきが生じても，信号源の分離性能への影響は小さい。
その結果，前記磁場測定装置Ｗ１〜Ｗ３は，複数のＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ，Ａｓの感度や前記ピックアップコイルＡ１ｍ，Ａ１ｓの位置等について，手間のかかる緻密な調整を要しないロバスト性を有している。
従って，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１〜Ｂ３によれば，高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサを用いて被検体１における交流磁場を測定する場合に，手間のかかる緻密な調整を要することなく，磁気ノイズの影響の小さな（Ｓ／Ｎ比の高い）磁場の測定信号Ｓｇを得ることができる。
The BSS process based on the ICA method is a process for performing signal source separation based on statistical independence (low correlation) of a plurality of signal components mixed in an input signal. For this reason, the amplitude of each signal component mixed in the input signal due to the positional relationship between the plurality of pickup coils A1m, A1s, individual differences in the detection gains of the plurality of SQUID magnetic sensors Am, As, etc. Even if some variation occurs, the influence on the separation performance of the signal source is small.
As a result, the magnetic field measuring devices W1 to W3 have robustness that does not require laborious and precise adjustment with respect to the sensitivity of the plurality of SQUID magnetic sensors Am and As, the positions of the pickup coils A1m and A1s, and the like. .
Therefore, according to the magnetic field measurement signal processing devices B1 to B3, when measuring an alternating magnetic field in the subject 1 using a highly sensitive SQUID magnetic sensor, it is possible to reduce magnetic noise without requiring precise adjustment. A measurement signal Sg of a magnetic field having a small influence (high S / N ratio) can be obtained.
また，以上に示した実施形態は，前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓが複数設けられた例を示したが，前記主ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｍ及び前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓが１つずつ設けられた装置も考えられる。この場合，例えば，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１（図２参照）が，前記信号源分離処理部１０−１により得られる前記主分離信号Ｖｍ’を前記測定部磁場信号Ｓｇとして出力することが考えられる。
また，前記磁場測定信号処理装置Ｂ１〜Ｂ３が，３つ以上の前記副ＳＱＵＩＤ磁気センサＡｓを備えた構成も考えられる。この場合，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２の数が増え，前記主分離信号合成処理部２０や前記スペクトル減算処理部３１，３１’，前記スペクトル近似信号抽出処理部３２の信号入力数が増えるだけである。
また，本発明には，前記ＳＱＵＩＤ磁気センサの他，フラックスゲートセンサやピックアップコイル等，他の磁気センサも採用可能である。
なお，以上に示したように，前記信号源分離処理部１０−１，１０−２や前記スペクトル減算処理部３１等が実行する処理は，入力信号が振動信号（交流信号）であることが前提である。このため，本発明の実施形態に係る磁場測定装置Ｗ１〜Ｗ３は，被検体１において交流磁場が生じていることが前提である。
Moreover, although the embodiment shown above showed the example in which the said sub SQUID magnetic sensor As was provided with two or more, the apparatus provided with the said main SQUID magnetic sensor Am and the said sub SQUID magnetic sensor As one by one is also considered. It is done. In this case, for example, it is considered that the magnetic field measurement signal processing device B1 (see FIG. 2) outputs the main separation signal Vm ′ obtained by the signal source separation processing unit 10-1 as the measurement unit magnetic field signal Sg. It is done.
Further, a configuration in which the magnetic field measurement signal processing devices B1 to B3 include three or more sub-SQUID magnetic sensors As is also conceivable. In this case, the number of the signal source separation processing units 10-1 and 10-2 increases, and the signals of the main separation signal
In addition to the SQUID magnetic sensor, other magnetic sensors such as a fluxgate sensor and a pickup coil can be used in the present invention.
As described above, the processing executed by the signal source separation processing units 10-1 and 10-2, the spectral
本発明は，交流磁場を検出する磁気センサを備えた磁場測定装置及びそれを含む非破壊検査装置等に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a magnetic field measuring device including a magnetic sensor that detects an alternating magnetic field, a nondestructive inspection device including the same, and the like.
Ｘ ：非破壊検査装置
Ａ ：ＳＱＵＩＤ磁気センサ
Ａｍ：主ＳＱＵＩＤ磁気センサ
Ａｓ：副ＳＱＵＩＤ磁気センサ
Ｂ ：磁場測定信号処理装置
Ｃ ：信号解析装置
Ｄ ：冷却装置
Ｅ ：可動式支持装置
Ｗ，Ｗ１〜Ｗ３：磁場測定装置
１０−１，１０−２：信号源分離処理部
２０：主分離信号合成処理部
３１，３１’：スペクトル減算処理部
３２：スペクトル近似信号抽出処理部
X: Nondestructive inspection device A: SQUID magnetic sensor Am: Main SQUID magnetic sensor As: Sub SQUID magnetic sensor B: Magnetic field measurement signal processing device C: Signal analysis device D: Cooling device E: Movable support devices W, W1 to W3 : Magnetic field measuring apparatus 10-1, 10-2: Signal source separation processing unit 20: Main separation signal
Claims (7)
測定対象に対向配置される前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである主磁気センサと，
前記主磁気センサの前記磁場ピックアップ部と並設された他の前記磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである副磁気センサと，
前記主磁気センサの検出信号と前記副磁気センサの検出信号とに基づいて，独立成分分析法に基づくブラインド信号源分離処理を行う信号源分離手段と，
前記信号源分離手段により得られる分離信号に基づいて前記測定対象の磁場の測定信号を導出する測定信号導出手段と，
を具備してなることを特徴とする磁場測定装置。 A magnetic field measuring apparatus comprising a plurality of magnetic sensors for detecting an alternating magnetic field in the vicinity of the magnetic field pickup unit based on a signal input through the magnetic field pickup unit,
A main magnetic sensor which is the magnetic sensor having the magnetic field pick-up unit arranged opposite to a measurement object;
A sub-magnetic sensor that is the magnetic sensor having the other magnetic field pickup unit arranged in parallel with the magnetic field pickup unit of the main magnetic sensor;
Signal source separation means for performing blind signal source separation processing based on an independent component analysis method based on the detection signal of the main magnetic sensor and the detection signal of the sub magnetic sensor;
Measurement signal deriving means for deriving a measurement signal of the magnetic field to be measured based on the separation signal obtained by the signal source separation means;
A magnetic field measuring apparatus comprising:
前記測定信号導出手段が，前記信号源分離手段により得られる前記主磁気センサに対応する複数の分離信号それぞれのスペクトルから，周波数帯域ごとの信号成分が所定の近似条件を満たすものを抽出することによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出してなる請求項１に記載の磁場測定装置。 The signal source separation processing means performs the blind signal source separation processing for each combination of a detection signal of one main magnetic sensor and each of detection signals of the plurality of sub magnetic sensors,
The measurement signal deriving means extracts, from the spectrum of each of the plurality of separated signals corresponding to the main magnetic sensor obtained by the signal source separating means, a signal component for each frequency band that satisfies a predetermined approximation condition; The magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein a magnetic field measurement signal is derived.
前記測定信号導出手段が，前記主磁気センサの検出信号と，前記信号源分離手段により得られる複数の前記副磁気センサに対応する複数の分離信号と，の間でスペクトル減算処理を行うことによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出してなる請求項１に記載の磁場測定装置。 The signal source separation processing means performs the blind signal source separation processing for each combination of a detection signal of one main magnetic sensor and each of detection signals of the plurality of sub magnetic sensors,
The measurement signal deriving means performs spectral subtraction processing between the detection signal of the main magnetic sensor and a plurality of separated signals corresponding to the plurality of sub magnetic sensors obtained by the signal source separating means. The magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein a magnetic field measurement signal is derived.
前記測定信号導出手段が，前記信号源分離手段により得られる前記主磁気センサに対応する複数の分離信号を合成した信号と，前記信号源分離手段により得られる複数の前記副磁気センサに対応する複数の分離信号と，の間でスペクトル減算処理を行うことによって前記測定対象の磁場の測定信号を導出してなる請求項１に記載の磁場測定装置。 The signal source separation processing means performs the blind signal source separation processing for each combination of a detection signal of one main magnetic sensor and each of detection signals of the plurality of sub magnetic sensors,
The measurement signal deriving means combines a plurality of separation signals corresponding to the main magnetic sensor obtained by the signal source separation means, and a plurality of signals corresponding to the plurality of sub magnetic sensors obtained by the signal source separation means. The magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein a measurement signal of the magnetic field to be measured is derived by performing a spectral subtraction process between the separated signal and the separated signal.
前記磁場測定装置が，請求項１〜５のいずれかに記載の磁場測定装置であることを特徴とする非破壊検査装置。 Based on the distribution of the measurement signal of the magnetic field in the measurement object obtained by scanning the measurement object with the magnetic field pickup unit having the magnetic sensor and the magnetic field pickup unit in the magnetic field measurement apparatus, the unique part in the measurement object A nondestructive inspection device comprising singular part detection means for detecting the presence or absence of
A nondestructive inspection apparatus, wherein the magnetic field measuring apparatus is the magnetic field measuring apparatus according to claim 1.
複数の前記磁場ピックアップ部のうちの前記測定対象に対向配置される第１の磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである主磁気センサから，その検出信号を取得する主検出信号取得手順と，
複数の前記磁場ピックアップ部のうちの前記第１の記磁場ピックアップ部と並設された第２の磁場ピックアップ部を有する前記磁気センサである副磁気センサから検出信号を取得する副検出信号取得手順と，
前記主磁気センサの検出信号と前記副磁気センサの検出信号とに基づいて，独立成分分析法に基づくブラインド信号源分離処理を行う信号源分離手順と，
前記信号源分離手順により得られる分離信号に基づいて前記測定対象の磁場の測定信号を導出する測定信号導出手順と，
をコンピュータにより実行してなることを特徴とする磁場測定信号処理方法。 The detection signals are obtained from a plurality of magnetic sensors that detect an alternating magnetic field in the vicinity of the magnetic field pickup unit based on a signal input through the magnetic field pickup unit, and a measurement signal of the magnetic field to be measured is derived based on the detection signal. A magnetic field measurement signal processing method in which processing is executed by a computer,
A main detection signal acquisition procedure for acquiring a detection signal from a main magnetic sensor, which is the magnetic sensor having the first magnetic field pickup unit arranged to face the measurement object among the plurality of magnetic field pickup units;
A sub-detection signal acquisition procedure for acquiring a detection signal from a sub-magnetic sensor, which is the magnetic sensor, having a second magnetic field pickup unit arranged in parallel with the first magnetic field pickup unit among the plurality of magnetic field pickup units; ,
A signal source separation procedure for performing blind signal source separation processing based on an independent component analysis method based on the detection signal of the main magnetic sensor and the detection signal of the sub magnetic sensor;
A measurement signal derivation procedure for deriving a measurement signal of the magnetic field to be measured based on the separation signal obtained by the signal source separation procedure;
Is executed by a computer. A magnetic field measurement signal processing method comprising:
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