圖1. 地震波的類型：(a) 縱波；(b) 橫波；(c) 勒夫波；(d) 瑞利波

 

體波有兩種類型：縱波（P波）和橫波（S波）。P波以一系列壓縮波和稀疏波的形式沿傳播方向行進(jìn)。由于其傳播的性質(zhì)，P波呈球面發(fā)散。雖然其波能衰減在所有類型的波中是最大的，但 其速度最快，介于5km/s至8km/s之間?？焖倌芰克p也使其成為破壞性最小的一類波。P波不僅可以通過(guò)表面?zhèn)鞑?，還可以通過(guò)水或流體傳播。

 

S波也稱為剪切波，緊隨P波之后到達(dá)。其沿地球表面?zhèn)鞑サ乃俣燃s為P波的60%至70%。此類波垂直于傳播方向和地球表面行進(jìn)。S波的能量衰減較少，比P波更具破壞性。P波和S波統(tǒng)稱為體波。

 

面波比體波慢10%，但破壞力最大。值得注意的是，地震波的傳 播速度與其經(jīng)過(guò)的土壤類型有很大關(guān)系。面波由瑞利波和勒夫波組成。瑞利波是一種以紋波形式在地表附近傳播的面波，它會(huì)引起順行（沿傳播方向）或逆行（與傳播方向相反）旋轉(zhuǎn)。由于其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，它也被稱為地滾波。勒夫波的行進(jìn)方向與傳播方向正交，但與地球表面平行。圖1顯示了不同類型的波及其對(duì)地球本體的影響。

 

震級(jí)、強(qiáng)度和頻譜強(qiáng)度

地震震級(jí)和地震強(qiáng)度常常被相互混淆。二者有一定的相關(guān)性，但卻是兩個(gè)不同地震參數(shù)的量度。

 

地震強(qiáng)度

地震強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱強(qiáng)度）在很大程度上取決于測(cè)量位置的特性。它描述地震對(duì)特定區(qū)域的影響，在世界范圍內(nèi)普遍使用，是一種量化振動(dòng)方式和破壞程度的傳統(tǒng)方法。因此，地震強(qiáng)度沒有一個(gè)真實(shí)的值。地震強(qiáng)度值遵循修正的Mercalli強(qiáng)度量表（1至12）或Rossi-Forel量表（1至10）。不過(guò)，修正的Mercalli強(qiáng)度(MMI)現(xiàn)已成為世界的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的修正 Mercalli 量表中的強(qiáng)度值及其相應(yīng)的影響描述。

 

表1. 簡(jiǎn)易版修正Mercalli強(qiáng)度量表

 

確定地震強(qiáng)度的方法有很多。這些方法使用從以往地震中收集的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建自己的地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程(GMPE)來(lái)預(yù)測(cè)強(qiáng)度值。推導(dǎo)出的方程式至少使用一個(gè)地震動(dòng)參數(shù)或地震動(dòng)參數(shù)的組合，即峰值地震動(dòng)位移(PGD)、峰值地震動(dòng)速度(PGV)和峰值地震動(dòng)加速度(PGA)。早期方程主要基于PGA，有幾種使用了PGV和PGD。雖然GMPE使用多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)來(lái)建立相關(guān)性，但不同模型得出的值仍然差異很大。例如，使用Wald的GMPE，10cm/s2的PGA值得出的MMI值為3.2。而根據(jù)Hershberger的GMPE，10cm/s2的PGA值對(duì)應(yīng)的MMI值為4.43。請(qǐng)注意，大多數(shù)GMPE遵循冪律，MMI值每增加一級(jí)，PGA值需要指數(shù)式增加。式1給出了Wald和Hershberger創(chuàng)建的相關(guān)性方程。

 

式1顯示了地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程：(a) Wald；(b).Hershberger。

 

 

日本氣象廳(JMA)設(shè)計(jì)了一種地震強(qiáng)度量表，它可以根據(jù)強(qiáng)運(yùn)動(dòng)三軸加速度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算。每個(gè)軸的加速度時(shí)間信號(hào)都信息傅立葉變換。圖2所示的帶通濾波器（由周期效應(yīng)濾波器、高截止和低截止濾波器組成）應(yīng)用于每個(gè)軸的頻率信號(hào)。圖中還給出了每個(gè)子過(guò)濾器的數(shù)學(xué)表示。

 

圖2.計(jì)算JMA強(qiáng)度所用加速度計(jì)輸出信號(hào)的帶通濾波器：(a) 周期效應(yīng)濾波器方程；(b) 高截止濾波器方程；(c) 低截止濾波器方程。

 

對(duì)每個(gè)軸的濾波后頻率信號(hào)進(jìn)行傅立葉逆變換之后，計(jì)算所有三個(gè)軸的相應(yīng)時(shí)域信號(hào)矢量和的大小。累計(jì)持續(xù)0.3秒或更長(zhǎng)時(shí)間的最高加速度值被指定為a0。然后使用式2從a0計(jì)算儀器地震強(qiáng)度，即利用持續(xù)時(shí)間至少為0.3秒的最高加速度求解JMA地震強(qiáng)度方程

 

 

地震頻譜強(qiáng)度

地震強(qiáng)度衡量特定位置感受到的地震的影響，而頻譜強(qiáng)度(SI)則衡量地震對(duì)特定結(jié)構(gòu)施加的破壞性能量的大小。SI值利用式3所示方程根據(jù)速度響應(yīng)譜來(lái)計(jì)算。高剛性結(jié)構(gòu)的速度法向周期為1.5s至2.5s。SI值針對(duì)的是震動(dòng)速度譜，因此能夠輕松區(qū)分地震活動(dòng)地震或其他來(lái)源。所以，SI值可以用作地震對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)健康影響的標(biāo)準(zhǔn)。此外，與JMA地震強(qiáng)度相比，SI值涉及的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，這使其更適合低功率應(yīng)用。

 

式3給出了頻譜強(qiáng)度方程，即震動(dòng)速度響應(yīng)譜對(duì)建筑物法向速度周期的積分

 

 

地震震級(jí)

地震震級(jí)（簡(jiǎn)稱震級(jí)）表示地震在震源處釋放的能量。其值不取決于測(cè)量位置。實(shí)際上，它只有一個(gè)真實(shí)值，即按照里氏量表指定的數(shù)字。有記錄的最強(qiáng)地震是1960年代襲擊智利瓦爾迪維亞的地震，震級(jí)為9.4至9.6。

 

地震震級(jí)與強(qiáng)度之間的相關(guān)性尚未完全界定清楚。明確界定二者之間的關(guān)系取決于許多因素，包括震源的深度、震源周圍的地質(zhì)組成、震中與測(cè)量設(shè)備之間的地形類型、設(shè)備位置或其距震中的距離等。例如，2017年5月發(fā)生在俄勒岡州海岸附近的地震被確定為4級(jí)。根據(jù)2017年7月的USGS震動(dòng)圖，蒙大拿州感到的地震強(qiáng)度為5至6級(jí)，愛達(dá)荷州也感到了相同的地震，但強(qiáng)度只有2至3級(jí)。這表明，即使愛達(dá)荷州比蒙大拿州更靠近震中，但這并不一定意味著前者感到的地震影響會(huì)更強(qiáng)烈。

 

地震檢測(cè)

地震檢測(cè)是指測(cè)量和分析地震波的過(guò)程。地震波不僅指地震產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，施加在地面上的任何力，即便是人在地面上走路那么小的力，都可能引起足以產(chǎn)生地震波的擾動(dòng)。地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用感興趣的地動(dòng)范圍非常大。地震產(chǎn)生的地動(dòng)可能像紙一樣薄，也可能像房屋一樣高。.

 

地動(dòng)可以通過(guò)位移、速度和加速度來(lái)表征。地動(dòng)位移通過(guò)地球表面行進(jìn)的距離來(lái)衡量。位置變化可以是水平的，也可以是垂直的。地動(dòng)速度指地表面移動(dòng)的速度，而地動(dòng)加速度指地動(dòng)速度相對(duì)于時(shí)間的變化速度。地動(dòng)加速度是確定地震過(guò)程中引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最重要因素。GeoSIG的一份演示材料中顯示了震級(jí)、地震動(dòng)和強(qiáng)度之間的關(guān)系。

 

用于地震檢測(cè)的設(shè)備屬于專用設(shè)備。涉及地震檢測(cè)的應(yīng)用可以根據(jù)其頻率范圍進(jìn)行分類。因此，儀器的頻率響應(yīng)曲線必須適合其使用場(chǎng)景。GeoSIG的一張圖表顯示了不同地震檢測(cè)應(yīng)用及其涵蓋的頻率

 

現(xiàn)代地震儀和地震動(dòng)傳感器概述

地震檢測(cè)設(shè)備通常稱為地震儀，已經(jīng)從使用傳統(tǒng)的筆和擺錘發(fā)展到使用電子和機(jī)電傳感器。這些傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)步產(chǎn)生了具有不同工作頻率范圍、檢測(cè)機(jī)制和測(cè)量不同地震動(dòng)參數(shù)的儀器。

 

應(yīng)變地震儀

歷史上的地震儀器只能記錄地動(dòng)位移。技術(shù)的進(jìn)步使得通過(guò)不同機(jī)制來(lái)測(cè)量地動(dòng)位移成為可能。應(yīng)變地震儀或應(yīng)變儀一般是指記錄和測(cè)量?jī)蓚€(gè)地面點(diǎn)之間位移的儀器。傳統(tǒng)模型使用埋入或安裝在鉆孔中的實(shí)心桿。桿通常注入石英和其他對(duì)長(zhǎng)度和應(yīng)變變化高度敏感的材料。長(zhǎng)度的變化歸因于地動(dòng)引起的小位移。

 

另一種實(shí)現(xiàn)方式稱為體積應(yīng)變儀，它使用帶有充液管的安裝在鉆孔中的圓柱體。容器體積的變形會(huì)引起液位變化，再通過(guò)電壓位移傳感器轉(zhuǎn)換為地動(dòng)位移。由于不需要傳統(tǒng)模型所需的特殊材料，體積應(yīng)變儀在該領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。

 

激光技術(shù)的最新發(fā)展使得人們制作出了激光干涉儀，它大大提高了應(yīng)變儀的精度。此類應(yīng)變儀使用與不等臂長(zhǎng)邁克爾遜干涉儀相同的原理，一點(diǎn)是傳感器、激光源和短臂，另一點(diǎn)是反射器，該反射器位于一定距離之外。設(shè)備將反射器運(yùn)動(dòng)引起的干涉條紋變化轉(zhuǎn)換為地動(dòng)位移。這種位移測(cè)量方法的靈敏度和精度與測(cè)量距離的長(zhǎng)度成正比。因此，激光應(yīng)變儀需要非常深的地下設(shè)施。

 

應(yīng)變儀的精度可以達(dá)到十億分之一。這些設(shè)備通常用于測(cè)量斷層運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)引起的地球變形或地殼運(yùn)動(dòng)。它們可以測(cè)量頻率非常低的地震波信號(hào)。但是，與懸吊質(zhì)量塊相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)相比，應(yīng)變儀的差分地面運(yùn)動(dòng)非常小。因此，不建議使用應(yīng)變儀來(lái)檢測(cè)地震引起的地面運(yùn)動(dòng)

 

慣性地震儀

慣性地震儀確定相對(duì)于慣性參考的地動(dòng)參數(shù)，慣性參考通常是 一個(gè)懸吊質(zhì)量塊。具體來(lái)說(shuō)，地震動(dòng)參數(shù)指的是懸吊質(zhì)量塊的線速度和位移。雖然合成的地震動(dòng)包括線性和角度分量，但地震波的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以忽略不計(jì)。這些速度和位移值是從傳感器獲得的，傳感器將懸吊質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？刂七\(yùn)動(dòng)的機(jī)械懸架與作用在懸吊質(zhì)量塊上的慣性力相關(guān)。速度和位移傳感器與機(jī)械懸架是慣性地震儀的兩個(gè)主要組成部分。為這兩個(gè)部分開發(fā)精密儀器是現(xiàn)代慣性地震儀的主要設(shè)計(jì)工作。

 

力平衡加速度計(jì)

機(jī)械懸架需要一個(gè)較小的恢復(fù)力以提高靈敏度，這樣較小的加速度也能在懸吊質(zhì)量塊上產(chǎn)生較大位移。但是，當(dāng)強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大加速度作用于懸吊質(zhì)量塊時(shí)，較小恢復(fù)力將無(wú)法平衡所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。因此，被動(dòng)機(jī)械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動(dòng)加速度。力平衡加速度計(jì)(FBA)通過(guò)向機(jī)械懸架增加負(fù)反饋環(huán)路來(lái)消除此限制。

 

電磁傳感器根據(jù)懸吊質(zhì)量塊的位置產(chǎn)生補(bǔ)償力。該位置由位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)隨后通過(guò)一個(gè)積分器模塊，產(chǎn)生與地震動(dòng)加速度成比例的輸出電壓。FBA的動(dòng)態(tài)范圍明顯大于采用被動(dòng)機(jī)械懸架的地震儀。因此，該設(shè)備通常用于強(qiáng)地震應(yīng)用。但是，反饋環(huán)路引起的延遲會(huì)限制設(shè)備的帶寬。

 

速度寬帶(VBB)地震儀

車輛運(yùn)動(dòng)和人為擾動(dòng)（例如采礦）引起的地震波具有高頻地震動(dòng)加速度。在非常低的頻率下，地動(dòng)加速度以不平衡的懸架、地面傾斜和熱效應(yīng)為主。因此，使用地震動(dòng)加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應(yīng)為限。地震動(dòng)加速度的帶通響應(yīng)等效于地震動(dòng)速度的高通響應(yīng)。因此，為了獲得更寬的地震儀帶寬，地震信號(hào)是以地震動(dòng)速度記錄的。VBB地震儀基于FBA，但不是將懸吊質(zhì)量塊的加速度作為反饋，而是使用其速度和位置。該設(shè)備的響應(yīng)與傳統(tǒng)慣性地震儀的理論響應(yīng)非常相似，但是對(duì)于更廣泛的作用力，其靈敏度和精度不會(huì)降低。

 

地震檢波器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)

日益增多的地震應(yīng)用的趨勢(shì)是發(fā)展地震儀或地震傳感器網(wǎng)絡(luò)和陣列，例如用于地震監(jiān)測(cè)、石油勘探和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面。地震儀的實(shí)施、屏蔽和安裝是這些應(yīng)用的三個(gè)常見約束條件。設(shè) 備的規(guī)模生產(chǎn)和快速部署能夠直接克服這三個(gè)常見限制，為此要求地震儀的尺寸和成本相應(yīng)地縮減。當(dāng)前有兩類傳感器技術(shù)能夠檢測(cè)地震動(dòng)；與FBA和VBB相比，它們的尺寸非常小，而且成本低。

 

地震檢波器

地震檢波器是一種地震動(dòng)速度傳感器，其重量輕，堅(jiān)固耐用，不需要任何電源即可工作?，F(xiàn)代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵，并被一個(gè)線圈包圍。線圈被彈簧懸掛起來(lái)，可以在磁體上移動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)相對(duì)于磁鐵的速度會(huì)感生一個(gè)輸出電壓信號(hào)。

 

圖3所示為4.5Hz地震檢波器的仿真頻率響應(yīng)。對(duì)于高于其諧振頻率的頻率范圍，地震檢波器的頻率響應(yīng)在速度上是平坦的，而對(duì)于此頻率以下的頻率則是下降的。小型且低成本的地震檢波器的諧振頻率通常高于4.5Hz。

 

圖3. 仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應(yīng)，阻尼系數(shù)為0.56

 

根據(jù)地震檢波器的機(jī)械規(guī)格可以創(chuàng)建等效電氣模型。圖4顯示了使用SM-6 4.5Hz地震檢波器的機(jī)械參數(shù)的電氣模型。

 

圖4. 使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的機(jī)械參數(shù)得出的SM-6 4.5 Hz地震檢波器的等效電氣模型

 

為了擴(kuò)展帶寬以覆蓋適用于地震檢測(cè)的較低頻率，可以使用周期擴(kuò)展器。低頻響應(yīng)擴(kuò)展的三種最常見方法是逆濾波器、正反饋和負(fù)反饋。

 

逆濾波器

在低于諧振頻率的頻率上，逆濾波器會(huì)補(bǔ)償?shù)卣饳z波器的滾降。通過(guò)級(jí)聯(lián)諧振頻率的反相高通濾波器和截止頻率為所需降低值的低通濾波器，可以構(gòu)建逆濾波器。圖5顯示了逆濾波器的 響應(yīng)以及應(yīng)用時(shí)得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)。此方法有很多缺點(diǎn)，使得總體結(jié)果的信噪比(SNR)較低。粉紅噪聲會(huì)被逆濾波器放大，而且其低頻熱穩(wěn)定性很差。

 

圖5. 逆濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)的頻率響應(yīng)及其對(duì)仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應(yīng)的影響

 

正反饋

正反饋是將外部電流饋入地震檢波器線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力作用在懸吊質(zhì)量塊上。此外部電流信號(hào)是通過(guò)正反饋濾波器（例如積分濾波器）從地震檢波器的輸出信號(hào)中導(dǎo)出的，它會(huì)放大低頻懸吊質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際情況中，正反饋濾波器的設(shè)計(jì)很難保持穩(wěn)定。

 

負(fù)反饋

與正反饋相反，負(fù)反饋會(huì)減弱內(nèi)部懸吊質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。一種方法是通過(guò)降低阻尼電阻來(lái)使流過(guò)地震檢波器線圈的電流過(guò)阻尼。但是，這會(huì)受到線圈電阻的物理限制。為將阻尼電阻減小到顯著低于線圈電阻的值，應(yīng)添加一個(gè)負(fù)電阻。負(fù)電阻可以通過(guò)負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器(NIC)等有源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這可以通過(guò)使用運(yùn)算放大器（運(yùn)放）來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示?？梢蕴砑訋V波器和高增益濾波器來(lái)對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行整形并使之穩(wěn)定。

 

圖6. 使用運(yùn)算放大器的負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)

 

MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是采用單個(gè)IC器件封裝的運(yùn)動(dòng)傳感器。典型結(jié)構(gòu)是使用一對(duì)電容和一個(gè)微小的硅質(zhì)量塊，中間有金屬板。非常薄的硅區(qū)域?qū)①|(zhì)量塊懸吊在中間。質(zhì)量塊位置的變化會(huì)導(dǎo)致器件電容發(fā)生變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為與懸吊質(zhì)量塊的加速度成比例的電壓信號(hào)。MEMS器件需要電源才能工作，某些MEMS加速度計(jì)內(nèi)置數(shù)字化儀，可消除不必要的噪聲，而且無(wú)需匹配傳感器和記錄器。如圖6所示，MEMS加速度計(jì)的頻率響應(yīng)就像一個(gè)截止頻率為諧振頻率的低通濾波器。

 

圖7. MEMS加速度計(jì)(ADXL354)在X軸上的頻率響應(yīng)

 

由于失調(diào)漂移，MEMS加速度計(jì)在諧振頻率以下的較高頻率時(shí)表現(xiàn)更好。相反，地震檢波器由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)，在較低頻率（但仍高于諧振頻率）時(shí)表現(xiàn)更好?？梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)小型低成本的地震儀，以同時(shí)利用地震檢波器和MEMS加速度計(jì)來(lái)獲得更高的器件帶寬。當(dāng)與適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬓D(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)，地震檢波器和MEMS加速度計(jì)的傳感器輸出可以轉(zhuǎn)換為不同的地動(dòng)參數(shù)。論文“地震檢測(cè)：使用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比較地震檢波器與加速度計(jì)”，基于每種傳感器的常見轉(zhuǎn)換函數(shù)，討論了針對(duì)相同地震動(dòng)位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計(jì)傳感器輸出21。

 

地震傳感器儀器指南

為了提供可重復(fù)性和一致性，并支持采用地震儀陣列或地震傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地震信號(hào)分析，需要對(duì)所用的儀器制定一套標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。USGS已為其要部署在國(guó)家先進(jìn)地震系統(tǒng)(ANSS)中的儀器設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。本部分根據(jù)USGS提到的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)趨勢(shì)，討論廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)期望器件性能所需的不同規(guī)格。

 

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)標(biāo)準(zhǔn)

USGS將現(xiàn)代地震儀歸類為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與傳統(tǒng)地震儀相比，標(biāo)準(zhǔn)DAS包括地震傳感器、數(shù)據(jù)采集單元以及外設(shè)和通信硬件。根據(jù)設(shè)備性能可將其分為A、B、C、D四類儀器。A類儀器接近最先進(jìn)的地震儀，而D類儀器可與傳統(tǒng)地震儀相媲美。有關(guān)規(guī)格的詳細(xì)討論，請(qǐng)參見《儀器指南》。

 

儀器帶寬

對(duì)于測(cè)量速度和加速度的地震傳感器，其額定帶寬和頻率響應(yīng)是不同的。儀器等級(jí)越高，其帶寬越寬，頻率響應(yīng)越好。寬帶傳感器全都是A類儀器，帶寬至少為0.01Hz至50Hz。在0.033Hz至50Hz的頻率范圍內(nèi)，其對(duì)速度的頻率響應(yīng)是平坦的。

 

短周期A類傳感器具有0.2Hz至50Hz的低帶寬。只有在1Hz至35Hz的頻率范圍內(nèi)，其對(duì)速度的頻率響應(yīng)才是平坦的

 

A類加速度計(jì)在0.02Hz至50Hz范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)，而B類加速度計(jì)僅在0.1Hz至35Hz范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。

 

強(qiáng)震動(dòng)、弱震動(dòng)和寬帶傳感器

DAS使用的傳感器按其捕獲的地震信號(hào)的幅度和頻率范圍進(jìn)行分類。強(qiáng)震動(dòng)傳感器可測(cè)量大幅度地震信號(hào)，通常是加速度計(jì)。強(qiáng)震動(dòng)加速度計(jì)可測(cè)量高達(dá) 3.5g的加速度，而且系統(tǒng)噪聲水平低于1μg/√Hz.

 

弱震動(dòng)傳感器可測(cè)量幅度非常低的地震信號(hào)，噪聲水平低于1ng/√Hz。然而，寬帶傳感器已經(jīng)能夠測(cè)量低幅度的地震信號(hào)，因此很少使用弱震動(dòng)傳感器。

 

傳感器動(dòng)態(tài)范圍和削波電平

寬帶速度傳感器的靈敏度為1500Vs/m。當(dāng)最大輸出電壓為±20V時(shí)，輸出削波電平或最大可測(cè)速度為±0.013m/s。

 

在較小頻率范圍內(nèi)，短周期速度傳感器比寬帶傳感器更靈敏。對(duì)于1Hz信號(hào)頻率，削波電平通常為±0.01m/s。

 

A類加速度計(jì)的削波電平大于±3.5g而B類加速度計(jì)的削波電平為±2.5g。傳感器動(dòng)態(tài)范圍是指最大可測(cè)量地震信號(hào)的均方根值與均方根自噪聲之比。但是，傳感器的均方根自噪聲會(huì)隨其帶寬而變化。表2列出了不同地震傳感器在不同頻率范圍下的動(dòng)態(tài)范圍。

 

表2. 不同類型傳感器的動(dòng)態(tài)范圍：寬帶傳感器 

 

寬帶傳感器動(dòng)態(tài)范圍(dB)

 

表4. 不同類型傳感器的動(dòng)態(tài)范圍：加速度計(jì)

 

傳感器通道和方向

地震波產(chǎn)生的線性地震動(dòng)分量于所有三個(gè)笛卡爾軸中均存在。三軸地震傳感器的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方向是朝東、朝北和朝上。但是，對(duì)于水平和垂直傳感器，傳統(tǒng)（甚至某些現(xiàn)代）地震儀的結(jié)構(gòu)是不同的，因?yàn)榇怪眰鞲衅鞅仨毧紤]重力作用。同質(zhì)三軸排列支持使用結(jié)構(gòu)類似的傳感器來(lái)確定笛卡爾坐標(biāo)軸上的線性地震動(dòng)分量。傳感器位于一個(gè)以儀器為中心的圓的三個(gè)均等間隔點(diǎn)上，并向其傾斜54.7度（相對(duì)于垂直方向）。使用式4所示的方程可將修改的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換回笛卡爾坐標(biāo)軸。

 

式4展示了將同質(zhì)三軸排列轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

 

 

然而，大部分現(xiàn)代傳感器已被封裝和設(shè)計(jì)成支持三軸測(cè)量。這些傳感器有非常小的固有跨軸耦合效應(yīng)。儀器指南要求跨軸耦合必須小于輸出信號(hào)的–70dB。

 

分辨率和采樣速率

在非常低的頻率下，地震引起的地震動(dòng)幅度可能非常小。用于地震儀器的數(shù)據(jù)記錄儀能夠以高分辨率記錄各種采樣速率的信號(hào)。寬帶地震儀至少需要20位數(shù)據(jù)分辨率，采樣速率為最低0.1SPS（樣本/秒）至最高200SPS。短周期速度傳感器和A類加速度計(jì)至少需要22位數(shù)據(jù)分辨率，采樣速率為1SPS至200SPS。B類加速度計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)分辨率的要求較低，至少16位即可。

 

采樣速率規(guī)格考慮了儀器及其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是，高級(jí)地震儀配備了更多的存儲(chǔ)空間，并且可以訪問(wèn)大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)空間（例如云數(shù)據(jù)服務(wù)），因此可以支持超過(guò)額定規(guī)格的采樣速率，這樣便可開展更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和地震研究。

 

時(shí)間和位置信息

地震信號(hào)僅與特定的測(cè)量位置和時(shí)間有關(guān)。每臺(tái)地震儀器的數(shù)據(jù)都有時(shí)間戳和已知全球位置，這是標(biāo)準(zhǔn)。每臺(tái)地震儀器的每次記錄都必須能夠附加上其位置，要么通過(guò)手動(dòng)用戶輸入，要么通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備或服務(wù)?，F(xiàn)代地震儀還有內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或者可以通過(guò)在線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)服務(wù)器等與精確參考時(shí)間同步。

 

輸出數(shù)據(jù)格式

全球地震儀器主要使用兩種數(shù)據(jù)格式：SEG-Y和SEED。SEG-Y格式是由勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)(SEG)開發(fā)的一種開放標(biāo)準(zhǔn)，用于處理三維地震信號(hào)之類的地球物理數(shù)據(jù)。每個(gè)記錄都包括時(shí)間戳、采樣間隔和實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)位置。格式規(guī)范和修訂的詳細(xì)信息可以在該組織的網(wǎng)站上查看。還應(yīng)注意的是，有多種使用SEG-Y格式的地震分析開源軟件，但大多數(shù)軟件并未嚴(yán)格遵循規(guī)范。

 

地震數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(SEED)格式旨在簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)之間和儀器之間交換未處理的地震數(shù)據(jù)并確保準(zhǔn)確性。雖然它主要用于地震記錄存檔，但有不同版本的SEED（例如miniSEED和無(wú)數(shù)據(jù)SEED）用于數(shù)據(jù)分析和處理。miniSEED僅包含波形數(shù)據(jù)，而無(wú)數(shù)據(jù)SEED包含有關(guān)地震儀器和測(cè)站的信息。

 

ADI公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了快速部署和實(shí)現(xiàn)地震網(wǎng)絡(luò)，特別是針對(duì)城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)站，必須改變傳統(tǒng)地震儀的設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程儀器必須符合當(dāng)前儀器指南，以使現(xiàn)代地震信號(hào)測(cè)量符合既有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并與之相關(guān) 聯(lián)。但是，方案的成本和規(guī)模應(yīng)大大縮小。將小型地震檢波器和MEMS加速度計(jì)用作地震動(dòng)傳感器，再加上高性能ADC和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，是一種合理的解決方案。

 

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)考慮

DAS的數(shù)據(jù)采集單元(DAU)的主要設(shè)計(jì)考慮因素是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。傳統(tǒng)上，這是由數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)(DFS)來(lái)執(zhí)行的，該系統(tǒng)用作線性逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和瞬時(shí)浮點(diǎn)(IFP)放大器。圖8所示為傳統(tǒng)DFS的框圖。

 

圖8. 使用IFP放大器系統(tǒng)的傳統(tǒng)DFS的框圖

 

前置放大器(PA)、低截止(LC)、高通濾波器、陷波濾波器(NF)、抗混疊(AA)高通濾波器和IFP放大器的分立實(shí)施會(huì)增加系統(tǒng)噪聲和功耗。多路復(fù)用器的使用會(huì)增加開關(guān)、串?dāng)_和諧波失真。最重要的是，SAR ADC引起的量化誤差會(huì)限制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率因此，最好使用其他架構(gòu)和其他轉(zhuǎn)換器來(lái)設(shè)計(jì)DAU。

 

Sigma-Delta(∑-Δ)型轉(zhuǎn)換器

∑-Δ型轉(zhuǎn)換器利用信號(hào)中的變化并將其添加到原始信號(hào)中。這樣可以減少SAR ADC固有的量化誤差，并能實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。有了現(xiàn)代∑-Δ型ADC，便不再需要以分立方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理濾波器。這些ADC具有豐富且可配置的數(shù)字濾波器，它們可以執(zhí)行與傳統(tǒng)信號(hào)鏈相同的功能。這就有效降低了系統(tǒng)噪聲和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。此外，高端精密∑-Δ型ADC能夠以至少24位分辨率同時(shí)檢測(cè)多個(gè)通道。

 

使用ADI解決方案的現(xiàn)代DAS設(shè)計(jì)

圖9給出了一種低成本地震傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施方案的一般框圖，這種節(jié)點(diǎn)可靈活適應(yīng)不同的應(yīng)用。

 

圖9.采用三個(gè)同質(zhì)三軸排列的地震檢波器和一個(gè)三軸MEMS加速度計(jì)的低成本地震儀的一般框圖

 

支持地震成像功能的ADI三軸加速度計(jì)解決方案有ADXL354和ADXL356。其數(shù)字輸出版本分別為ADXL355andADXL357，集成了20位ADC，可以直接與處理器連接

 

低成本緊湊型地震檢波器僅檢測(cè)單個(gè)通道，諧振頻率通常大于4.5Hz，靈敏度大于25V/m/s。同質(zhì)三軸排列允許將三個(gè)類似的單通道地震檢波器組合成一個(gè)三軸地震動(dòng)傳感器。需要一個(gè)周期擴(kuò)展器來(lái)向下擴(kuò)展地震檢波器帶寬，以達(dá)到寬帶傳感器的標(biāo)準(zhǔn)儀器規(guī)格。當(dāng)設(shè)計(jì)采用單電源供電時(shí)，周期擴(kuò)展器還可以用作增益放大器，并將輸入信號(hào)的偏置設(shè)為ADC范圍的中心。

 

MEMS加速度計(jì)固有的頻率響應(yīng)使其容易受到失調(diào)漂移和高頻噪聲的影響。帶通濾波器可改善局部地震學(xué)感興趣的頻率范圍內(nèi)的加速度信號(hào)。地震檢波器周期延長(zhǎng)器和加速度計(jì)帶通濾波器都需要低噪聲、低失調(diào)電壓和低輸入偏置電流的精密運(yùn)算放大器，例如ADA4610-1。

 

基準(zhǔn)電壓設(shè)置ADC的測(cè)量范圍和周期擴(kuò)展器的輸出信號(hào)擺幅。如果使用模擬輸出傳感器，基準(zhǔn)電壓值還應(yīng)考慮三個(gè)加速度信號(hào)的電壓擺幅?；鶞?zhǔn)電壓的失調(diào)電壓溫漂必須非常低，特別是對(duì)于室外設(shè)施（通常在0?C至50?C）。ADI公司的超低噪聲和高精度基準(zhǔn)電壓源ADR45xx系列是行業(yè)標(biāo)桿，可以輕松滿足這些要求對(duì)于有電力線的設(shè)施，例如建筑物和測(cè)站，地震傳感器的電源可以從有線直流電源轉(zhuǎn)換器獲取；對(duì)于遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施，電源可以從電池獲取。從有線直流電源轉(zhuǎn)換器獲取時(shí)，低噪聲開關(guān) 穩(wěn)壓器和低噪聲、低壓差(LDO)穩(wěn)壓器適合應(yīng)用。ADI公司LDO穩(wěn)壓器（例如ADM717x系列）具有高電源電壓抑制比(PSRR)、低溫漂和低噪聲特性。電池供電的設(shè)計(jì)需要高負(fù)載效率且低功耗的充電控制器和電池充電器，以便維持儀器長(zhǎng)期運(yùn)行而無(wú)需維護(hù)。此外，如果儀器能夠從容易獲得的能源（例如太陽(yáng)能和熱能）中收集能量，那么更好。ADP5091超低功耗能量采集器具有最大功率點(diǎn)跟蹤和遲滯模式，可確保能量傳輸效率最高。它有電源路徑管理功能，可以在收集器、充電電池或原電池之間切換，使得自供電儀器能夠可靠地運(yùn)行。

 

如果使用模擬輸出加速度計(jì)，∑-Δ型轉(zhuǎn)換器會(huì)接收來(lái)自周期擴(kuò)展器的三個(gè)通道速度信號(hào)和另外三個(gè)通道加速度信號(hào)。該設(shè)計(jì)需要至少有六個(gè)輸入通道的轉(zhuǎn)換器。如果可能，速度和加速度信號(hào)須同時(shí)采樣。對(duì)于采樣時(shí)在通道之間切換的多通道ADC，采樣速率需要更高。地震的目標(biāo)信號(hào)最大頻率為100Hz。對(duì)于這些信號(hào)，無(wú)混疊的采樣頻率應(yīng)為至少200Hz或每周期5ms。每個(gè)加速 度和速度通道應(yīng)以至少1.2kSPS的采樣速率采樣。地震信號(hào)的分析推動(dòng)了每個(gè)通道的過(guò)采樣。因此，應(yīng)選擇采樣速率遠(yuǎn)高于1.2kSPS的ADC。AD7768是一款8通道24位∑-ΔADC，支持同步采樣，無(wú)需更高采樣速率。其最大采樣速率為256kSPS，但在低功耗模式下，采樣速率可降至32kSPS。它非常靈活，支持以不同方式實(shí)施和應(yīng)用地震儀器設(shè)計(jì)，并能輕松達(dá)到A類數(shù)據(jù)采集單元的標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

低成本處理器的功能因應(yīng)用而異。對(duì)于使用外部計(jì)算設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，處理器是一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，它將所有通道的地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打包為標(biāo)準(zhǔn)格式（SEED或SEG-Y），然后 通過(guò)數(shù)據(jù)接口將其發(fā)送到計(jì)算設(shè)備。此應(yīng)用的處理要求較低，因此可以使用低功耗微控制器。ADuCM4050是一款超低功耗 ARM®Cortex®-M4微控制器，推薦用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它有低功耗模式，休眠模式功耗為650nA，快速喚醒關(guān)斷模式功耗為200nA。此外，它還有兩個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)外設(shè)用于計(jì)時(shí)和時(shí)間同步數(shù)據(jù)采樣。

 

對(duì)于內(nèi)置數(shù)據(jù)分析功能的獨(dú)立儀器，DSP會(huì)根據(jù)應(yīng)用計(jì)算地震特征和其他參數(shù)，例如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的建筑物健康指標(biāo)。地震數(shù)據(jù)分析需要計(jì)算各種數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)函數(shù)。例如，地震強(qiáng)度的計(jì)算 需要對(duì)數(shù)函數(shù)和用于加速度和速度的峰值檢測(cè)窗口。此外，處理時(shí)間應(yīng)足夠短，以便能連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理。ADSP-BF706是一款低成本、低功耗DSP，處理速度高達(dá)400MHz，是現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)用的業(yè)界首選DSP32。它提供多個(gè)無(wú)縫外圍接口，使得連接數(shù)據(jù)接口和ADC等外部器件更容易。

 

儀器的位置數(shù)據(jù)可以從GPS模塊中提取，或者在安裝過(guò)程中手動(dòng)設(shè)置。對(duì)于時(shí)間數(shù)據(jù)，低成本DSP可以使用其內(nèi)部RTC外設(shè)，或通過(guò)數(shù)據(jù)接口使用NTP。數(shù)據(jù)接口有多種選擇，具體取決于安裝 類型。儀器可以使用工業(yè)RS-485接口進(jìn)行有線通信（尤其是在建筑物內(nèi)部），或使用以太網(wǎng)接口輕松將設(shè)備連接到現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于無(wú)線通信，儀器可以使用Wi-Fi設(shè)備或ADI公司 SmartMesh®IP33 ，后者可在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)可靠性。

 

應(yīng)用

隨著各個(gè)位置部署的地震傳感器數(shù)量的增加，地震數(shù)據(jù)的可靠性也會(huì)提高。從地震數(shù)據(jù)中可以提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地球物理研究、石油勘探 甚至工業(yè)和家庭安全。本部分概要介紹地震傳感器網(wǎng)絡(luò)的三種常見應(yīng)用。

 

遠(yuǎn)程地震網(wǎng)絡(luò)

火山學(xué)和地震學(xué)研究將地震傳感器部署在險(xiǎn)峻（有時(shí)甚至危險(xiǎn)）的地形中。監(jiān)測(cè)火山內(nèi)部過(guò)程需要在多點(diǎn)進(jìn)行地震動(dòng)監(jiān)測(cè)。在火山活動(dòng)的某些階段之后，這些位置可能會(huì)變得危險(xiǎn)，并使地震傳感器無(wú)法取回。低成本、低功耗地震傳感器將會(huì)降低研究成本，同時(shí)保持很長(zhǎng)的使用壽命。另一個(gè)類似情況是板塊運(yùn)動(dòng)的特征，這也需要沿著斷層線部署大量地震傳感器。

 

地震預(yù)警系統(tǒng)

S波和面波是更具破壞性的地震波，但其傳播速度比破壞性最小的P波要慢。利用這種特征可以實(shí)現(xiàn)一種檢測(cè)地震早期跡象的地震預(yù)警系統(tǒng)。這樣，所有類型的系統(tǒng)都有一個(gè)很短的時(shí)間來(lái)作出響應(yīng)，防止地震造成重大破壞。在劇烈地面震動(dòng)發(fā)生前的一刻，住宅和商業(yè)建筑將能夠關(guān)閉電力系統(tǒng)和天然氣管道。使用受保護(hù)區(qū)域周圍多個(gè)位置部署的地震傳感器網(wǎng)絡(luò)，將有助于增加允許的反應(yīng)時(shí)間。另外，非地震源引起的誤報(bào)也會(huì)降到最低。圖10顯示了用于保護(hù)特定區(qū)域或結(jié)構(gòu)的地震預(yù)警系統(tǒng)的可能設(shè)置。

 

圖10.使用地震傳感器網(wǎng)絡(luò)的地震預(yù)警系統(tǒng)，傳感器部署在相距6英里至12英里的多個(gè)位置。圖片由Erin Burkett (USGS)和(Orange County Register)制作。由美國(guó) 地質(zhì)調(diào)查局ShakeAlert項(xiàng)目提供35

 

預(yù)警系統(tǒng)允許的響應(yīng)時(shí)間與地震傳感器距受保護(hù)結(jié)構(gòu)的徑向距離成比例，如式5所示。假設(shè)P波以3.5mi/s或5.6km/s的速度行進(jìn)，而S波以2.0mi/s或3.2km/s的速度行進(jìn)，則可以計(jì)算出，地震傳感器與保護(hù)區(qū)的距離每增加7.51km，響應(yīng)時(shí)間就會(huì)增加一秒。此外，以較短的間距放置多個(gè)地震傳感器將能為響應(yīng)時(shí)間提供更高的時(shí)間分辨率。

 

式5展示了預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與地震傳感器距保護(hù)區(qū)的徑向距離之間的關(guān)系。

 

 

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控

通過(guò)監(jiān)測(cè)建筑物對(duì)受迫振動(dòng)測(cè)試的響應(yīng)并建模，可以提高建筑物的地震安全性。在建筑物中安裝地震傳感器將有助于地震災(zāi)后評(píng)估、響應(yīng)和恢復(fù)。在廣泛損壞的情況下，廣泛分布的地震 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定位結(jié)構(gòu)損壞區(qū)域，從而降低目視檢查的風(fēng)險(xiǎn)和成本。一項(xiàng)關(guān)于強(qiáng)震動(dòng)儀器的研究將此應(yīng)用于20層鋼制MRF建筑——Atwood大樓，使用部署在10個(gè)層級(jí)的32個(gè)基于加速度計(jì)的地震傳感器來(lái)精確監(jiān)測(cè)大樓的結(jié)構(gòu)健康狀況。

 

結(jié)論

地震傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)技術(shù)、地震研究和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。應(yīng)用需求已改變地震儀的傳感器和系統(tǒng)需求，使其更青睞遠(yuǎn)程系統(tǒng)和較低運(yùn)行成本?，F(xiàn)代低成本地震動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量能力已經(jīng)能夠與傳統(tǒng)儀器相媲美。采用ADI公司的各種產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)一種滿足不同地震檢測(cè)應(yīng)用的檢測(cè)設(shè)備。