物理探査用光ポンピング磁力計 QTFM Gen-2

光ポンピング磁力計「QTFM Gen-2」は、低ノイズ及び高精度で磁場測定ができる高性能の磁気センサです。小型で低消費電力で、ドローンなどの測量にも使用できます。QTFM Gen-2 はセットアップが簡単で、使いやすく、信頼性が高いです。

本ページの構成

1．仕様

感度スカラー	< 3 pT/√Hz　ベクトル : < 0.1 nT/√Hz （オプションで追加可能）
データレート	1000サンプル/秒(最大)
バンド幅	500 Hz
デッドゾーン	軸方向のみ、地磁気に対して ±7º未満の円錐形（典型的には5º未満）
方位誤差	<3 nT非補償型
ダイナミック範囲	1000 nTから150,000 nT
動作温度	-15℃～55℃

寸法	36×17.8×11.6 mm（センサーヘッド）、 91×20×14.4 mm（エレクトロニクス部）
重量	15 g（センサーヘッド＋電子回路）
電源	5V～10V入力、合計 2W（センサー＋電子機器）、起動時 3W
出力	UART、USB
最大勾配磁場	300 nT/cm
校正	なし
型式	パルスレーザー励起ルビジウム自由誘導減衰法

感度スカラー	< 3 pT/√Hz　ベクトル : < 0.1 nT/√Hz （オプションで追加可能）
データレート	1000サンプル/秒(最大)
バンド幅	500 Hz
デッドゾーン	軸方向のみ、地磁気に対して ±7º未満の円錐形（典型的には5º未満）
方位誤差	<3 nT非補償型
ダイナミック範囲	1000 nTから150,000 nT
動作温度	-15℃～55℃
寸法	36×17.8×11.6 mm（センサーヘッド）、 91×20×14.4 mm（エレクトロニクス部）
重量	15 g（センサーヘッド＋電子回路）
電源	5V～10V入力、合計 2W（センサー＋電子機器）、起動時 3W
出力	UART、USB
最大勾配磁場	300 nT/cm
校正	なし
型式	パルスレーザー励起ルビジウム自由誘導減衰法

特長

オプション追加：組み込み、安定、低ノイズ３軸ベクトル出力（合成※）
フラットな分光特性（周波数に依存した特性のロールオフなし）
カスタマイズ可能なデジタルフィルター（ローパス、ハイパス、ノッチ）を内蔵
複数のセンサーを高精度に同期させてグラジオメトリーを行うことが可能
デッドゾーンはほぼなし
スルーレートの制限なし（極めて磁気ノイズの多い環境にも対応可能）
高分解能周波数カウンターを内蔵
※１ベクトル出力は、インターリーブされた測定サイクルでバイアスフィールドを適用することにより、スカラー測定から合成的に導出（計算）される。

新しい点は？

G2 は、弊社のG1 センサー（2017 年）を大幅にアップグレードした製品です。G1 もすでに最もコンパクトで高感度な市販のスカラー磁力計でしたが、今回のG2 はさらに進化を遂げています。

より堅牢に

新型G2 は、厳しい地球物理学的用途に対応するため、大幅に堅牢化されて頑丈になりました。

スルーレートの
制限がなし

G2 はアンロックなしの磁場環境で、任意に変化するノイズや速度に耐えることができます。

デッドゾーンは
ほぼなし

G1が平面的なデッドゾーンが大きかったのに対し、G2は軸方向のデッドゾーンはごくわずか（+/-７度円錐）です。このため、 G2はどの緯度でも方位を気にすることなく使用することができます。

帯域幅の拡大

G2では、磁場は500Hzでサンプリングされます。この高速サンプリングと内部デジタルフィルターにより、センサープラットフォーム（UAV/UUAV）やその他のノイズ源から誘発されるエイリアシングアーチファクトを回避することができます。

グラジオ
メーターモード

複数のセンサーを簡単に連結することができ、非常に高い同相ノイズ除去比（CMRR）を持つ合成グラジオメーターを形成することができます。

三軸ベクトル
アタッチメント

多くの高性能磁気異常検出アプリケーション（MAD）では、内部および外部の「方位誤差」を取り除くために、外付けのベクトル磁力計が必要です。G2は、センサーヘッド上に小さな3軸アタッチメントを取り付けることで、純粋なスカラー磁力計からスカラー+３軸のハイブリッドベクトル磁力計になります。G2は、世界初のスカラー＋ベクトルのハイブリッド型原子磁力計として、優れた性能を発揮します。

高機能
エレクトロニクス

G2は、強力なARMマイクロコントローラーと Xilinx FPGAを備えた高機能エレクトロニクスコントローラーを搭載しており、多くの新機能と設備を提供します。

修理性

不測の事態でG2が壊れた場合（UAVを落とすなど）、迅速かつ穏当な価格でG2を修理いたします。

2．用途

地球物理学

鉱物探査

考古学

古井戸・
古い油田調査

古い油田や古井戸は、道路建設、区画整理などの開発業者にとって、環境、安全の観点から調査の必
要があります。一方でこの調査自体にはいくつかの課題があります。
【安全性】リスクを最小限にしてフィールドの調査をする必要があります
【費用対効果】広大な敷地から効率的に対象を見つける必要があります
【データ】既存のデータ（地図等）との統合が必要です
これらの条件を満たす技術として、光ポンピング磁力計が有効な可能性があります。すでにドローン
に掲載して古井戸、古い油田などの調査に使用されております。

不発弾検知

不発弾検知とは、地中に埋まった不発弾を磁気センサなどを用いて探査することです。第二次世界大戦中の大規模な空襲によって日本には多くの爆弾が投下されましたが、その内の一部は不発弾として
いまだに処理されず残っています。
不発弾の多くは地中に埋まっているため、どこにあるかを人の目で見つけることは極めて困難です。かつては金属探知機を用いた不発弾検知が行われていましたが、検出範囲が狭くて地中深くにある不発弾
を検出できないという課題があり、今では主に地表近くに設置される地雷の検出に用いられています。
現在の不発弾検知の主流は、磁気センサを搭載した検査装置を用いる方法です。多くの爆弾の外装は鉄や鋼などの強磁性体で作られており、それらが発する磁気を検出することで大きさや位置、深度を
測定しています。不発弾検知においては、触発事故を防ぐために高精度な検出ができなければなりません。高精度な磁気センサの開発や検査装置の改良によって、日々性能の向上が図られています。

3．しくみ

QTFM Gen-2 の構造

QTFM Gen-2は、自由誘導減衰（FID）と呼ばれる光学検出方式に基づく、ルビジウム光ポンピング磁力計（OPM）です。その基礎となる物理と動作について、以下に説明します。
［図右］は、磁力計センサーヘッドの光学的な説明図です。まず、795 nmのVCSELレーザーからの光を1/4波長板で円偏光にします。次に、円偏光された光は、透明なルビジウムの蒸気セルを通過します。蒸気セルを通過した光は、光検出器で捕捉されます。ルビジウムの蒸気圧を上げるため、蒸気セルは電気的に約80℃に加熱され、レーザー波長をルビジウムのD1光学遷移に電子的にロックします。
センサーの動作は、1 ms（サイクルタイム）ごとに繰り返される2つのフェーズに分かれています。最初の500 usは、蒸気セルを包む一組のヘルムホルツコイルを使って、光ビームと平行な強い偏光磁場（Bp）を作り出します。光ビームと縦方向の偏光磁場の組み合わせにより、ルビジウム原子はスピン偏極（偏光磁場と一直線に並ぶ）されます。次に、偏光電場を１us以下で急速にオフにします。偏光場がオフになると、測定フェーズに入ります。

偏磁場を急激にオフにすると、ルビジウム原子は地磁気に対して歳差運動（振動）します。ルビジウムの歳差運動の周波数は、バックグラウンド磁場に正比例します。ルビジウム原子の歳差運動は、蒸気セルを通過する光を変調させるため、オシロスコープに接続した増幅フォトダイオード出力などでリアルタイムに観察できます［図左］。QTFM Gen-2 （M）では、この歳差運動は約500 us続き、このサイクルの測定段階となります。
測定段階では、フォトダイオードからの生の電気出力が増幅され、内蔵の高性能周波数カウンターに送られます。周波数カウンターはルビジウムの歳差運動を測定し、バックグラウンド磁場と歳差運動の周波数が6.998 nT/Hzという一定の関係にあることから、バックグラウンド磁場の正確な値を推測することができます。例えば、歳差運動周波数が350 kHzと判明した場合、バックグラウンド磁場は50014.289 nTと決定されます。１msサイクルで、１回の磁場測定が行われます。
歳差運動の周波数はバックグラウンド磁場の大きさ（√（Bx2 + By2 +Bz2）にのみ依存し、個々の磁場ベクトル成分（Bx, By, Bz）には依存しません。このため、QTFM-Gen 2（M）はスカラー磁力計、つまり「全磁場」磁力計であり、QZFMやフラックスゲートのようなベクトル磁力計ではありません。

4．デッドゾーンについて

QTFM Gen-2 デッドゾーン

詳しくはこちら

5．ベクターモードについて

QTFM Gen-2 ベクターモード

詳しくはこちら

6．スタンダードボード

QTFM Gen-2 標準通信基板

商品の説明

全てのQTFM Gen-2センサーには、標準通信ボード（SCB）が付属しています。このSCBは、USBポートを使用してQTFM Gen-2をPCに接続するための橋渡し役です。現場で使用する前に、SCBを付けてセンサーをテストすることをお勧めします。標準通信ボードには以下のものが装備されています。

❶ USB-UARTブリッジは、センサー電子回路（ECU）からPCに仮想COMポートを介して生のUART信号を送信します
❷ USBからの +5VをECUが必要とする+10Vに昇圧するスイッチングレギュレータを搭載しています
❸ スーパーキャパシタによるUSB電圧のクリーンアップと安定化
❹ 同期入出力、MDP（マグ・データ・パルス）、生UARTにアクセス可能

電子回路図

SCBを接続

❶ 15ピンFPCコネクタ：センサー電子回路（ECU）からのフレックスケーブルをSCBの15ピンFPCコネクタに接続します。
❷ USBケーブル/型式A からマイクロ-B：片方をSCBに、もう片方をPCに接続します。
❸ SCBにはUARTブリッジがあり、プラグインするとPC上に仮想COMポートが作成されます。作成された新しい仮想COMポートは、デバイスマネージャで確認することができます。
❹ シンクアウト（UMCCコネクタ、出力）：1 kHz、3.3Vの矩形波。立ち下がりエッジが磁界測定開始時刻を示します。マスターセンサーからのシンクアウトをスレーブセンサーのシンクインに接続すると、マスターセンサーとスレーブセンサーが完全に同期し、同じ瞬間に磁界測定を行うことができます。

❺ Sync in（UMCCコネクタ、入力）：2つ以上のQTFM Gen-2センサーを同期させるための1 kHz、3.3Vの矩形波を受け入れます。
❻ マグ・データ・パルス（MDP）：3.3V出力パルス。MDPは、センサーが自動起動を完了するまでローレベルを維持します。MDPの立ち上がりエッジは、ジッターフリーのタイムスタンプ磁力計データに使用することができます（印刷される各データサンプルに対して1パルス）。
❼ Extl +10V/GND：SBCに搭載されている+5から+10Vへのスイッチングレギュレータの代わりに、これらのピンを使用して外部+10V電源でセンサーに電源を供給することができます。緑色で囲ったR48を必ず外してください。

7．アドバンスボード（オプション）

高機能通信基板

高機能通信基板（ACB）は、UAVやUUVを含む様々なモバイルプラットフォームにQTFMセンサーを容易に組み込むために作られました。ACBは軽量設計で、すぐに使える機能を備えているため、データロギングとフュージョンを迅速に行うための実用的なソリューションを提供します。最新のACBバージョン（ACB 2.0）は、QTFM Gen-1およびGen-2センサー（AおよびBのバリアント）の両方に対応します。

主な特長

ACB 2.0は、内蔵データロガー、1PPSのGPS受信機、ワイヤレスBluetooth接続、簡単にアクセスできる外部電源の入力を備えています。軽量（～23g）、コンパクト（1.85cm x 1.2cm x 10.8cm）、低消費電力（～1.5W）です。

USBケーブルでPCにデータを転送可能
タイムスタンプのMDP（Mag Data Pulse）と1-PPSにアクセス　可能
外部バッテリー/電源（+3.3～+5.5V）への接続が容易
USB給電の外部バッテリーをホットスワップしてホールドオーバーが可能
センサーアレイ用シンクイン/アウト
CSV ファイル形式（標準、地理空間、フラット構成のいずれか）を開く

ファイルの保存

ファイルの保存は、ボタンを押すか、Bluetoothで電話機と無線コマンドを送信することで実行され非常に簡単です。一度保存したファイルはUSB経由でダウンロードでき、オープンソースのCSVフォーマットで保存されます。また、保存したファイルのインポート、ファイル形式の変換、見出しエラーの修正などができるフリーソフトのツールもご用意しています。

同梱物

Teensy 4.1ベースの内蔵データロガー（GPSとQTFMのデータを記録するようにあらかじめプログラムされています。）

データ保存用32GB SDカード
GPSモジュール
Bluetoothアダプター（PC、Android、iPhone対応）

旧バージョン

磁気センサ光ポンピング磁力計QTFM　Gen-1
Total-field Magnetometer（トータルフィールド磁力計）

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