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1 ディジタル方式フラックスゲート磁力計の高分解能化 2009/07/29 STP セミナー 井口恭介

2 目次 SCOPE S 号機 フラックスゲート磁力計 ディジタル方式 先行研究と課題ー高分解能化と線形性ー 課題への対策ー ΔΣ 変調方式 DAC ー 現状 まとめと今後の計画

3 SCOPE Scale COupling in the Plasma univere 5 機の衛星による同時マルチスケール観測目的 : 地球磁気圏のダイナミックな現象を理解探査領域 : ショック リコネクション 境界層方法 : km ~ 数 kmのマルチスケール観測 2 時間と空間を分解するための同時多点観測 時間遅く S / C 電子 イオン MHD 空間広く

4 DC 磁場 SCOPE の磁場測定 1 1 磁気圏の構造を捉え 磁気圏の背景場を知る 2 instantaneous な磁場の方向を正確に測る 分布関数の非等方性 0.1~ 数十 Hz の磁場 1 イオンや電子の加速や加熱過程 サイクロトロン周波数付近の波や運動論的アルフベン波の波動粒子相互作用 衝撃波 境界層の遷移領域内部での磁場擾乱 2 リコネクションジェット先端における磁場擾乱をとらえ リコネクションのエネルギー変換を解明する

5 SCOPE の磁場測定 フラックスゲート 0~128 Hz サーチコイル 10 Hz~10kHz 磁場 [nt] Pi-2 Pc 周波数 [Hz] 要求項目 要求値 計測範囲 ±4096/±65536 nt 分解能 8/125 pt@20 bits ノイズレベル 10 pt/ Hz 周波数応答 0~128 Hz 重量 550 g 電力 1 W

6 S 号機 スポラディック E 層の観測を目的としたロケット 磁場測定器への要求 ロケットの姿勢計測 ( 地磁気姿勢角 ) 2 度の姿勢決定精度 nt (1-cos 2 )= 約 40 nt 40nT 以上の分解能が必要 磁力線 ロケットに固定された軸の磁場に対する角度

7 ディジタル方式の利点 従来方式はアナログ電子部品が非常に多い アナログ電子部品の削減により 計測値の温度変化および経年変化の向上 小型 軽量 3 省電力 個体差が少ない 部品入手が容易などが期待される 従来方式 あけぼの GEOTAIL のぞみ CLUSTER Bepi(MMO MGF-I) ディジタル方式 ROSETTA THEMIS Bepi(MMO MGF-O) 重量 [kg] THEMIS (2007, NASA) ROSETTA (2003, ESA) CLUSTER FGM (2000, ESA) SCOPE MGF BeplColombo (MMO)ESA BeplColombo (MMO) ISAS/JAXA あけぼの (1989) ジオテイル (1992) のぞみ (1998) 消費電力 [W]

8 フラックスゲート磁力計の原理 : 水量の制御 外部磁場 水位を 0に保つようにつように 流入 = 流出で制御制御される 求めたいめたい値 流入流量 タンク センサ 流入流量 外部磁場 水位 センサ センサ内部内部に残る磁場 流量調整器 水位水位をもとにをもとに流入 = 放出になるようになるよう制御 放出流量 フィードバック フィードバック量 分解能 流量調整器 外部磁場 センサ 信号処理回路 フィードバック量 センサが外部磁場を打ち消すための反平行磁場をつくりだす

9 ディジタル化 アナログ方式 センサ 出力 アンプ BPF Phase Detector 積分器 ディジタル方式 (DFG:Digital Fluxgate magnetometer) DAC:Digital to Analog Converter 1 離散時間信号を連続時間信号に変える 2 離散値 (0,1 の信号 ) をある分解能を持った連続量に変換する センサ DAC 出力 アンプ ADC ディジタル信号演算器

10 先行研究 DFG の課題 : 高分解能化と線形性 H. U. Austeret al, 2007 Space Sci. Rev. THEMIS 衛星搭載ディジタル方式磁力計 センサ アンプ 12 ビット DAC 信号処理出力 ディジタル信号演算器 12 ビット = 分解能 12 nt 放射線対策済 DAC は 12 ビットまで 課題 : 線形性の保証 THEMIS 搭載 FGM 信号処理回路

11 アナログ 線形性 アナログ方式 水位 0 で 流入 = 流出にするように保たれる ディジタル 滑らかにスライド 調整器 ディジタル方式 流出量が決まった値 ( 分解能 ) しかとれない c 高分解能 DACが必要 8 pt 決められた水量しか放出できない ΔΣ 変調方式 DAC を用い まずは分解能 2 nt(16 ビット ) を目指して開発を行う

12 input x ΔΣ 変調方式 DAC fin f fc 0 + Q - Analog LPF e y Delay >= 0 1 < 0-1 y = x+ Analog out de dt ノイズレベル 計測対象周波数 LPF ΔΣ の量子化ノイズ 無変調時の量子化ノイズ fc 0.5f 0 周波数 特徴 1 ノイズをDFG 計測対象外の周波数に移動 計測周波数領域のノイズ低減 2 ソフトウェアと LPF により DAC を実現 新規 DAC 素子開発が不要

13 Δ 変調方式のパラメータ 性能を決めるパラメータ Over Sampling Ratio : f0/(2*fc) 積分器の数 ( 次数 ) ダイナミックレンジ ( 計算範囲 ) Analog LPF の性能 制限プロセッサの能力特に3 次以上は実際の回路で発振注意ダイナミックレンジ付近は誤差が大きい性能とアナログ素子数のトレードオフ ノイズレベル LPF 低 OSR 低次数 高 OSR 計測周波数 高次数 周波数 fc 0.5f 0

14 定常磁場に対する応答の計算セッティング OSR : 171 入力周波数 f0 : 88 khz LPF カットオフ周波数 :256 Hz 2 次 (2 回微分 ) 型 積分器 2 個 y = x + V d 2 e dt 2 Noise [db] 入力磁場範囲 : nt~4096 nt アナログ LPF 減衰率 -60 db/dec Gain [ db] = 20*log 10 ( C 2 Aω ) 2 OSR D 3 + ( Bω ω ) A, B, C, D 抵抗 コンデンサの値で決まる カットオフ周波数 (Gain=-3 db) 256 Hz 2

15 10000 OSR とノイズ結果 LPF:-60 db/dec) 1000 低 OSR DAC のノイズ nt 計測範囲 ±65536 nt 高 OSR 入力磁場 nt OSR を高くするとノイズは小さくなる 最大入力付近はノイズが大きい

16 アナログフィルタの性能とノイズ結果 db/dec -60 db/dec 2 次型 ΔΣ 変調 OSR= DAC のノイズ nt 計測範囲 ±65535 nt 入力磁場 nt 高周波域の減衰量を大きくすると その分ノイズが減衰され小さくなる

17 定常磁場に対する応答の計算結果 次型 ΔΣ 変調 OSR=171 LPF: -60dB/dec 100 DAC のノイズ nt 計測範囲 ±65535 nt ビット 入力磁場 nt マイクロコンピュータのセッティングで計算を行った結果 DACのノイズが約 2 nt( ビット ) に達した

18 PIC による DAC 開発 - ディジタル部の構成 - PIC Peripheral Interface Controller 小型 安価なマイクロコンピュータ センサ アナログ LPF 出力 アンプ A/D 磁場計算 ΔΣ 変調器 PIC

19 開発の現状 2 ー PIC ソフトウェアー 上 : 88 khz ΔΣ 変調器の出力 下 :11 khz AD 変換のタイミング ソースプログラム画面

20 シミュレーションの評価 まとめ今後の計画 ΔΣDAC 開発環境の整備 試作 試作した DAC の詳細評価を行う DFG の全体設計 ループレスポンスのためのパラメータ設計 DFG の製作と評価

21 参考文献 M. Kono, M. Koyanagi, and S. Kokubun, A Ring-Core Fluxgate for Spinner Magnetometer, J. Geomag. Geoelectr., vol.36, pp , 1984 Primdahl, F., The fluxgate magnetometer, Journal of Physics E: Science Instrum, Vol.12, pp , 1979 H U Auster et al1995, Meas. Sci. Technol J.L.Burch and V.Angelopoulos, The THEMIS Mission. Springer New York,2008 岡田和之, 松岡彩子, 中村正人, JAXA RR , 2006 参考 Web site

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