低周波電磁波ノイズ源の可視化に関する研究

金沢大学理工研究域電気・電子・情報機器や産業機器などから放射される不要電磁波ノイズを抑制するためには、機器のどの部分から実際にノイズが放射されているかを特定することが重要である。本研究では、特に従来あまり研究の行われていなかった低周波(数十MHz以下)に着目し、機器周辺の電磁界ベクトル分布を測定することにより機器内部の低周波電磁波ノイズ源を特定する逆問題の解法を検討し、波源の位置及び分布を目に見えるようにする「低周波電磁波源可視化装置」を開発することを目的とする。昨年度は、主に波源周辺で観測された磁界波形にMUSIC法を適用することにより、電気及び磁気ダイポール点波源の位置及び方向を推定する手法を検討した。その際の計算量を削減するために、位置の走査のみで方向も特定できる手法を開発し、また、粗い走査点上で求められた評価関数に補間を施すことで真の波源位置を精度良く推定することにも成功した。今年度は、MUSIC法を位置推定に適用した際に推定誤差分散を与える理論式を導出し、波源と電磁界センサの相対位置や観測信号のS/N比により、誤差分散がどのように変化するかをシミュレーションにより評価した。その結果、位置推定の誤差分散は、理論値が示す通り主としてS/N比に依存することを確認した。その際、MUSIC法では本質的に発生しないはずのバイアス誤差が見られたが、その原因は評価関数の補間にあることが分かった。また一方では、直線状電流波源や大きさを持つループ電流波源に対してもMUSIC法を適用することで、それらの位置や向きだけでなく長さや大きさをも推定できる可能性を示した。更に、任意のアングルから撮影された実際の波源のカメラ画像に、推定された波源位置及び向きを重ねて表示し、ボリュームレンダリングの手法も用いて波源を直感的に見ることのできる可視化ソフトウェアを開発し、実験によりその動作を確認した。研究課題/領域番号:14750287, 研究期間(年度):2002-2003出典：「低周波電磁波ノイズ源の可視化に関する研究」研究成果報告書　課題番号14750287（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-14750287/)を加工して作

Estimation of electric parameters for thin shielding sheets

金沢大学大学院自然科学研究科情報システム金沢大学工学部We suggest an estimation method of the electric parameters for thin shielding sheets. In order to evaluate our estimation method, we estimated the electric parameters for the metallic materials which have known electric parameters, and evaluated our method. For the non-magnetic materials, the estimated relative permeability was the same as the nominal values. For the ferromagnetic materials, the estimated relative permeability varied 0% to 30% from the nominal values. For both types of materials, the estimated conductivities were 0% to 9.8% different from the nominal values. Next, we apply our estimation method to shielding sheets, and we can estimate the electric parameters for items such as thin cloths. ©2005 IEEE

衛星搭載用低周波電界アンテナの特性評価実験

金沢大学理工研究域地球磁気圏プラズマにおける低周波波動の電界成分を観測するために科学衛星に搭載されている長さ数10m〜100mのワイヤダイポールアンテナの特性を調べるために、レオメトリ実験を行った。レオメトリ実験では、水槽内に衛星構体及びワイヤアンテナのスケールモデルを沈め、両端面に設置した板状電極に交流電圧をかけて水槽内に均一電界を発生させて、その状態でワイヤアンテナに誘起される電圧を測定することでアンテナの指向性や実効長を評価できる。昨年度は、科学衛星GEOTAILの1/100モデルとして2cmφ×2cmの円筒に全長1mのワイヤダイポールアンテナを接続して誘起電圧を測定した結果、アンテナの指向性はほぼ理論通りの8の字型であり、また実効長は低周波で長く、高周波で短くなることが分かつたが、測定値の精度及び安定性に多少問題があった。そこで今年度は、レオメトリの測定精度を向上させるため、ダイポールアンテナの基部にバッファアンプを挿入することで電圧測定器のプローブケーブルの影響を低減し、また水槽内の水質(導電率)を安定させるために純水を使用した。全長30cmのワイヤダイポールアンテナをホルマル銅線で作製し、先端のみ被覆を剥して水と接触させた状態で実効長の周波数特性を測定した結果、直流に近い低周波ではほぼ全長と等しくなり、数kHz以上では全長の約半分になった。低周波では水とアンテナとが導電的にカップリングすることによりダイポールアンテナ両端のポテンシャル差が拾われ、一方高周波ではアンテナワイヤに定在波(三角分布)が載るためであると考えられる。実際の磁気圏プラズマ中でも同様のことが起こると考えられるため、現在まで交流電界に対しては単純に全長の半分(50m)であると仮定されてきたGEOTAIL衛星のワイヤアンテナ実効長を、周波数特性を含めて再評価する必要があると考えられる。研究課題/領域番号:12740277, 研究期間(年度):2000-2001出典：「衛星搭載用低周波電界アンテナの特性評価実験」研究成果報告書　課題番号 12740277（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-12740277/)を加工して作

惑星探査衛星搭載用インテリジェント波動観測装置の開発

金沢大学工学部文部省宇宙科学研究所により1998年に打ち上げ予定の我が国初の火星探査衛星Planet-B搭載用の低周波波動観測装置(LFA)のための、以下のソフトウェア開発を行った。1.LFA搭載のDSP上で、FFTおよびWavelet変換を行うためのソフトウェアをC言語で開発し、以前に当研究室で設計、制作されたLFA試作機上のDSPに搭載し、パソコンによるDSPコントロールを行ってその動作を確認した。今後、これらのソフトウェアをアセンブリ言語などを利用して改良、効率化することにより、LFA上で複雑な時間-周波数解析を行い、スペクトルや偏波などの情報を得て、それに応じて観測モードを自動的に切り替えるなどの自律処理が可能となる。2.火星などの超長距離通信における限られた伝送容量(例えば地球-火星間は通常2kbps)で波動観測データを効率的に地上に送るための手段として、ニューラルネットワークによる自動波動スペクトル確認システムを提案し、UNIX上でC言語によりコーディングを行いその動作を認識した。実際に科学衛星GEOTAILにより地球磁気圏内で観測された波動(コーラスエミッション:数秒の間に周波数が200〜600Hzに変化する特徴を持つ)を本システムに入力して認識テストを行ったところ、約80%以上の認識率が得られた。今後、本システムをLFA搭載のCPUあるいはDSP用にコーディングすれば、火星周辺で観測されるであろう波動の特徴的なスペクトルパターンのみを抽出することが可能となり、地球に転送されるべきデータ量の削減につながるものと期待される。これらのソフトウェア開発は、Planet-BのLFAのみならず、将来の惑星探査衛星にも搭載されるであろう波動観測装置を、高度に自律して複雑な信号処理を行う「インテリジェントな」ものにするための基礎として非常に有用であると考えられる。研究課題/領域番号:07740393, 研究期間(年度):1995出典：研究課題「惑星探査衛星搭載用インテリジェント波動観測装置の開発」課題番号07740393（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-07740393/）を加工して作

Development of a magnetic field measurement system using a tri-axial search coil

金沢大学大学院自然科学研究科情報システム金沢大学工学部In order to measure the magnetic field noise around electric devices, we developed a measurement system using a triaxial search coil. The crosstalk of the orthogonal search coils is less than -40 dB between the tri-axial search coil sensors. The measured magnetic sensitivity of the search coil is 10 pT/√Hz at 1 kHz. ©2005 IEEE

Reduction of multiple narrow-band noises from radio waves

This paper proposes reduction of mul- tiple narrow-band noise signals from radio signals. The multiple narrow-band noise signals are suppressed one- by-one basis by using sinusoidal signal generators and an adaptive filter. The frequencies are estimated from the amplitude spectrum. Based on the histogram of fre- quency differences, low-power harmonic components can be detected. Fine tuning on frequency is carried out by using the averaged power pattern of three narrow-band- filter outputs. Peak filters are introduced in order to sup- press influence of wide-band signals. The performance are examined by using real measured signals

低周波電磁波ノイズ源可視化システムの開発

電気・電子・情報機器や産業機器のどこから不要電磁波ノイズが放射されているかが目に見えるようになれば、機器のノイズ対策(EMC/EMI対策)にとって非常に有用な情報が得られる。本研究では、特に従来あまり研究のなされていなかった低周波(数十MHz以下)を対象として、機器の周辺で複数の電磁界センサにより測定された電磁波ノイズ分布から、機器内部の波源分布を推定して目に見えるように「可視化」する「低周波電磁波ノイズ源可視化システム」を開発することを目的とする。当該研究期間において、主として以下の研究成果を得た。1.従来、ダイポール点波源のみに適用可能であったMUSIC法による波源推定手法を拡張し、直線電流波源やループ電流波源に対して、その位置及び向きだけでなく長さやループサイズなどの空間的広がりを推定する手法を開発した。2.複数波源の信号波形が時間的に高い相関を持つ(コヒーレントな)場合、従来のMUSIC法では複数波源を分離できなかった。そこで、複数波源の同時走査及びRAP-MUSIC法を新たに導入することで、複数のインコヒーレント及びコヒーレント波源が混在している場合においても、それらの位置及び向きを精度良く推定できる手法を開発した。3.AD変換及び無線送信機能を持つ1チップマイコンを用いて、センサで受信された磁界波形データの収集及び無線伝送を行う小型のワイヤレスセンサシヌテムを設計・試作した。4.電磁波源可視化システムにおいて、計測波形データの収集→計測磁界の較正→MUSIC法による波源推定→カメラ画像上への波源可視化、の一連の処理を統一的、またグラフィカルに行えるソフトウェアを開発した。5.実際の電気・電子機器(電気ストーブ、液晶テレビ、ノートPC等)から放射される低周波電磁波ノイズを計測して波源の位置推定及び可視化を試み、電磁波源可視化システムの動作を評価した。In order to reduce the undesired electromagnetic (EM) noise emissions from the electrical and electronic equipment under the actual operating conditions, it is important to identify the locations of the noise sources inside the equipment, by measuring the EM field distributions of the noise emissions externally. In this study we have applied the MUSIC algorithm to estimate and visualize the 3-d locations and orientations of the low-frequency (less than MHz) current sources, by measuring the magnetic field distributions around the sources with an array of magnetic vector sensors. The main results obtained are as follows :1. We have extended the MUSIC algorithm to localize not only the point dipole sources, but also the line and loop current sources which have finite spatial extent.2. The conventional MUSIC algorithm was unable to distinguish highly coherent multiple dipole sources. On the basis of the "spatio-temporal independent topography" model, we have applied the RAP (Recursively Applied and Projected)-MUSIC algorithm with a multiple dipole search, to identify and localize the coherent dipole sources.3. Awireless and portable AC magnetic field sensor has been developed.4. We have developed an experimental system to locate the low-frequency current loop (magnetic dipole) sources. The magnetic field wave forms acquired by a couple of AC magnetic sensors are sampled and digitized by a PC, and the current sources are localized by the MUSIC algorithm. We also "visualize" the estimated sources on a computer screen, by superimposing them directly on the "real" camera image of the sources.5. The low-frequency noise sources existing in the actual electric and electronic equipment, such as an electric heater, an LCD TV, and a notebook PC, have been localized and visualized with the developed system.研究課題/領域番号: 16560361, 研究期間(年度):2004-2005出典：「低周波電磁波ノイズ源可視化システムの開発」研究成果報告書　課題番号16560361 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

Determining the relative permeability and conductivity of thin materials

In order to determine the relative permeability and conductivity of thin materials that could not be found using traditional methods, we constructed a shield box and developed a measuring system to estimate the unknown electric parameters of exotic shielding materials such as thin cloths. Thin electromagnetic shielding sheets of both nonmagnetic materials and ferromagnetic materials were used. The shielding effectiveness of the materials was measured as a function of frequency, and the results were compared with the calculated solutions for a multilayered model that was evaluated using the Sommerfeld integral that expresses near-field spherical waves by a composition of cylindrical waves. In these calculations, the relative permeability and conductivity were varied to determine the solution closest to the measured results. The least squares method was used to determine the best fitted values. Initially the nominal values of relative permeability were assumed, and the conductivity was found using the fitting technique. Then this determined value of the conductivity was assumed, and the relative permeability was found using the fitting technique. For the nonmagnetic materials, the estimated relative permeability was the same as the nominal values. For the ferromagnetic materials, the estimated relative permeability varied 0 percent -30 percent from the nominal values. For both types of materials, the estimated conductivities were 0 percent -9.8 percent different from nominal values. This research details a new method for evaluating the attenuation of interfering electromagnetic waves for thin materials

Small sensor probe for measuring plasma waves in space Space science

Background: Since conventional one-point observations of plasma phenomena in space cannot distinguish between time and spatial variations, the missions on the basis of multiple-point observations have become the trend. We propose a new system for multiple-point observation referred to as the monitor system for space electromagnetic environments (MSEE). Findings: The MSEE consists of small sensor probes that have a capability to measure electromagnetic waves and transfer received data to the central station through wireless communication. We developed the prototype model of the MSEE sensor probe. The sensor probe includes a plasma wave receiver, the microcontroller, the wireless communication module, and the battery in the 75-mm cubic housing. In addition, loop antennas, dipole antennas, and actuators that are used for expanding dipole antennas are attached on the housing. The whole mass of the sensor probe is 692 g, and the total power consumption is 462 mW. The sensor probe can work with both inner battery and external power supply. The maximum continuous operation time on battery power is more than 6 h. We verified the total performance for electric field measurements by inputting signal to preamplifier. In this test, we found that analog components had enough characteristics to measure electric fields, and the A/D conversion and the wireless transmission worked correctly. In the whole performance for electric fields, the sensor probe has equivalent noise level of - 135 dBV/m/√Hz. Conclusions: We succeed in developing the prototype model of the small sensor probe that had enough sensitivity for electric field to measure plasma waves and the ability to transfer observation data through wireless communication. The success in developing the small sensor probe for the measurement of plasma waves leads to the realization of the multiple-point observations using a lot of small probes scattered in space

シゼン VLF ホウシャ キョウド ト ギンガ ザツオン デンパ キュウシュウ CNA ノ ソウカン カンケイ ヲ モチイタ カブ デンリソウ デンシ ミツド ノ スイテイ

本研究では,地上で観測されるVLFホイスラモード波(昼間に観測されるコーラス)の電離層減衰率とCNAを用いた新しい下部電離層電子密度のリモートセンシング技術を提案する.そのために,さまざまな電子密度モデルに対する両者の関係を理論的に評価している.評価の手法は,full-wave解析を用いてVLFホイスラモード波の下部電離層減衰率とCNAを理論計算している.計算結果は観測結果と同様にCNAとVLF波動の負相関を示し,さらに,増大した電子密度モデルの最大電子密度高度が下がるにつれ,CNA-VLF負相関の傾きが増大する関係を示した.つまり,観測されたCNA-VLF負相関の傾きが,降下粒子に伴う下部電離層を増大させる電子密度高度を推定する情報源に成りえるということが分かった.これは,夜間のみに生じるTrimpi現象と共に,昼間の降下粒子検出に対する新しい下部電離層電子密度推定手法となるであろう.In this study, we suggest a new remote sensing technique for enhanced electron density in the lower ionosphere by using the correlation between VLF whistler mode waves (daytime chorus emissions) and CNA, both observed on the ground. The ionospheric attenuations for VLF whistler mode and HF waves (as a CNA value) are calculated by using full-wave analysis to evaluate their correlations for various ionospheric electron density profiles enhanced by precipitating electrons. The calculation results show negative correlations between CNA and VLF whistler mode waves in accordance with the observation results. Then, the gradient of the negative correlation becomes larger with decreasing altitude of maximum electron density. Thus, we found that the correlation provides information on the vertical profile of the enhanced electron density in the lower ionosphere caused by electron precipitation. This allows the study of electron precipitation in the daytime, in addition to Trimpi events at nighttime