2018 Fiscal Year Research-status Report
時間・空間を制御した励起磁場からの微弱磁気信号イメージによる微小欠陥特定
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17K06467
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
作田 健 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (70221273)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 磁場制御 / SQUID / 雑音制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
励起磁場の空間的時間的制御により対象磁性体を磁化し，磁化した対象物からの磁気信号を検出することで，高速に磁性異物や欠陥を検出することを目的とする本研究課題においては，微小な信号をいかに効率よく検出するかが課題となる．前年度からこの点について環境雑音対策が大きな問題となっていた．すなわち，環境雑音が大きいため，微小信号を検出しようとSQUIDの感度を高くすると，制御用が効かなくなっていた．そこで，昨年度から引き続き効率よく雑音を抑制するシステムの構築を進めるとともに，SQUID磁束計の制御系をディジタル化し，量子磁束を計測するFLL回路をFPGAで構成することとした．雑音抑制について，環境雑音成分を周波数領域で検出することで，検出信号との分別をはかり，環境雑音のみを打ち消すシステムの作成し，従来型のフィードバックによる検出手法に対し，雑音低減量をおよそ１０ｄB改善できた．
また，SQUID磁束計のFLL回路について，flux-quanta counting型FLL回路をFPGAによる実装を実現し，これにより，入力信号振幅に適応してダイナミックレンジを可変する機構を導入し，動作中にSQUIDのロックが外れることを可能な限り低減できるシステムとすることができた．
異物の位置特定については，パターンマッチングによる位置特定について検討を行った．時間経過に対する信号強度の変化をあらかじめシミュレーションにより求めたリファレンスパターンと比較することで，通過位置を特定することができる．比較には相互相関係数を用い，あらかじめこの相関係数と通過位置の関係を示す近似曲線を求めておくことにより，容易に位置推定ができる手法を提案した．検出する信号に含まれる雑音を小さくすることが，位置推定の精度を上げることにつながることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
実験環境の再構築に手間取られて，システムの設計検討を十分行うことができなかった．このため，進捗状況は上記と判断した．
環境雑音対策について，従来から実施している動的雑音制御について，デジタル方式に加え，電子回路によるアナログ方式も検討した．
主となる雑音成分をこのアナログ方式で減衰させておくことで，全体の雑音制御も有効に行えると考える．デジタル式による雑音制御においても，FPGAとDSPをもちいたシステムの構築を検討し，基本的なFPGAブロック生成が可能となった．今後はこのブロックを用いてより高速高精度のフィルタが実現できる見込みである．
さらにSQUIDのFLL回路をflux-quanta counting型のデジタル化することで，SQUID磁束計本体の耐雑音特性の向上を図った．動作領域を拡大することで，SQUID動作の不安定性を改善する予定である．
高周波磁気信号の検出においては，すでに述べたように，雑音による動作不安定性のため，十分なデータが得られなかった．これについては，上記の対策を実施することで進めることができる状況になりつつあると考える．
取得した信号からの対象物の特性の抽出に関しては，シミュレーションによりあらかじめ作成したレファレンス特性から，相関特性を利用することで，位置特定が実現可能になっている．今後は，AIによる機械学習を用いたシステムに拡張する準備を検討している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度以降は、（１）核磁気共鳴システムの構造設計および（２）磁気画像イメージの再構築、SQUID磁束計による極微弱磁気信号の検出，（３）核磁気 共鳴信号の検出と欠陥物質イメージの構成となる．今後の推進方策は、まずＳＱＵＩＤ磁束計による測定システムの立ち上げを行う．高周波信号検出において問題となる環境雑音対策を進め，ようやくＳＱＵＩＤを安定に動 作させる見込みがたった．早急に高周波微小磁気計測の実験を進める予定である． （１）について、シミュレーションおよび実験データの収集により効率よく最適条件を求め，システムの構築を進める． （２）磁気画像イメージおよび欠陥イメージの再構築に関して、フーリエ変換とグリーン関数を用いたアルゴリズムの検討、さらに励起磁場の波形シーケンスの 工夫による簡単な処理でのイメージを推定手法も総合的に検討し、磁気イメージ像再構築の各手法を考案し性能を評価する． また（３）核磁気共鳴信号の検出と欠陥物質イメージの構成について、先に述べたＳＱＵＩＤ磁束計の測定システムを早急に立ち上げたうえで、共鳴信号によ る物質の同定の検討を行い、さらに位置検出と絡めたシステムの検討を行う予定である．さらに，得られた磁気イメージとシミュレーションによって作成した学習用データを用いて，AIによる機械学習を用いた特性評価が行えないか検討を進める．
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| Causes of Carryover |
当初、SQUID磁束計による信号検出システムを使用して、購入予定の高周波発信器から信号を発生させる予定であった。しかし、予想以上に環境雑音が大きく、予定した発振器での信号検出の実現の可能性を確認する必要があると考えた。そのため、今期は購入を控え、必要な性能を満たすシステムの再確認を行い、発生信号の制御系を含むシステムとして再構築し，来期に必要な機材の購入を行うこととした。
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