了解地震信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)

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8.使用IFP放大器系統(tǒng)的傳統(tǒng)DFS的框圖

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 ADXL355 和 ADXL357 ，集成了20位ADC，可以直接與處理器連接²⁰。

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4.5 Hz，靈敏度大于25 V/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 ²⁶。

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²⁷。

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²⁸。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29。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)，Σ-?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100 Hz。對(duì)于這些信號(hào)，無(wú)混疊的采樣頻率應(yīng)為至少200 Hz或每周期5 ms。每個(gè)加速度和速度通道應(yīng)以至少1.2 kSPS的采樣速率采樣。地震信號(hào)的分析推動(dòng)了每個(gè)通道的過采樣。因此，應(yīng)選擇采樣速率遠(yuǎn)高于1.2 kSPS的ADC。AD7768 是一款8通道24位Σ-Δ ADC，支持同步采樣，無(wú)需更高采樣速率30。其最大采樣速率為256 kSPS，但在低功耗模式下，采樣速率可降至32 kSPS。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³¹。它有低功耗模式，休眠模式功耗為 650 nA，快速喚醒關(guān)斷模式功耗為 200 nA。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)400 MHz，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³⁴。監(jiān)測(cè)火山內(nèi)部過程需要在多點(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。

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3.5 mi/s或5.6 km/s的速度行進(jìn)，而S波以2.0 mi/s或3.2 km/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7.51 km，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36。

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。

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。