了解地震信號檢測網(wǎng)絡的基礎知識

簡介

隨著世界相互聯(lián)系和相互依存的程度越來越高，中型和大型地震可能會造成重大的經(jīng)濟破壞和損失。發(fā)生在任何脆弱城市中心地區(qū)的大地震，都會對中心地區(qū)的國民經(jīng)濟及其企業(yè)提供服務和全球參與的能力產(chǎn)生連鎖反應¹。應認識到地震風險是一個全球性問題，提高地震監(jiān)測能力以減輕這種風險是至關重要的責任。

改進地震監(jiān)測的一個關鍵因素是地震傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)，這需要廣泛部署地震儀器并將其互連²。然而，安裝大量傳統(tǒng)地震儀器的成本和復雜性均很高³ 。集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可提供低成本解決方案，同時維持標準地震數(shù)據(jù)質(zhì)量⁴。本文討論地震和地動傳感器的物理原理、遵循的現(xiàn)代儀器標準以及它們提取的特征。此外，針對不同地震傳感器網(wǎng)絡應用，我們開發(fā)了一個采用ADI解決方案的系統(tǒng)設計。

地震

地震是由構(gòu)造板塊的運動和碰撞引發(fā)的事件。碰撞產(chǎn)生的能量以地震波的形式在地球內(nèi)部表面周圍傳播。這些波有多個方向，分為體波和面波。

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。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 5 km/s 至 8 km/s 之間?？焖倌芰克p也使其成為破壞性最小的一類波。P波不僅可以通過表面?zhèn)鞑?，還可以通過水或流體傳播。

S波也稱為剪切波，緊隨P波之后到達。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。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。

圖1.地震波的類型：(a) 縱波；(b) 橫波；(c) 勒夫波；(d) 瑞利波⁵

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)過的土壤類型有很大關系⁶。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)。由于其運動性質(zhì)，它也被稱為地滾波。勒夫波的行進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地球本體的影響。

震級、強度和頻譜強度

地震震級和地震強度常常被相互混淆。二者有一定的相關性，但卻是兩個不同地震參數(shù)的量度。

地震強度

地震強度（簡稱強度）在很大程度上取決于測量位置的特性。它描述地震對特定區(qū)域的影響，在世界范圍內(nèi)普遍使用，是一種量化振動方式和破壞程度的傳統(tǒng)方法。因此，地震強度沒有一個真實的值。地震強度值遵循修正的Mercalli強度量表（1至12）或Rossi-Forel量表（1至10）。不過，修正的Mercalli強度(MMI)現(xiàn)已成為世界的主導標準。表1列出了美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的修正Mercalli量表中的強度值及其相應的影響描述。

表1.簡易版修正Mercalli強度量表

確定地震強度的方法有很多⁷。這些方法使用從以往地震中收集的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建自己的地震動預測方程(GMPE)來預測強度值。推導出的方程式至少使用一個地震動參數(shù)或地震動參數(shù)的組合，即峰值地震動位移(PGD)、峰值地震動速度(PGV)和峰值地震動加速度(PGA)。早期方程主要基于PGA，有幾種使用了PGV和PGD。雖然GMPE使用多個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來建立相關性，但不同模型得出的值仍然差異很大。例如，使用Wald的GMPE，10 cm/s2的PGA值得出的MMI值為3.2。而根據(jù)Hershberger的GMPE，10 cm/s2的PGA值對應的MMI值為4.43。請注意，大多數(shù)GMPE遵循冪律，MMI值每增加一級，PGA值需要指數(shù)式增加。式1給出了Wald和Hershberger創(chuàng)建的相關性方程。

式1顯示了地震動預測方程：

日本氣象廳(JMA)設計了一種地震強度量表，它可以根據(jù)強運動三軸加速度數(shù)據(jù)來計算⁹。每個軸的加速度時間信號都信息傅立葉變換。圖2所示的帶通濾波器（由周期效應濾波器、高截止和低截止濾波器組成）應用于每個軸的頻率信號。圖中還給出了每個子過濾器的數(shù)學表示。

圖2.計算JMA強度所用加速度計輸出信號的帶通濾波器：(a) 周期效應濾波器方程；(b) 高截止濾波器方程；(c) 低截止濾波器方程。⁹

對每個軸的濾波后頻率信號進行傅立葉逆變換之后，計算所有三個軸的相應時域信號矢量和的大小。累計持續(xù)0.3秒或更長時間的最高加速度值被指定為_a0。然后使用式2從_a0 計算儀器地震強度，即利用持續(xù)時間至少為0.3秒的最高加速度求解JMA地震強度方程⁹。

地震頻譜強度

地震強度衡量特定位置感受到的地震的影響，而頻譜強度(SI)則衡量地震對特定結(jié)構(gòu)施加的破壞性能量的大小¹⁰。SI值利用式3所示方程根據(jù)速度響應譜來計算。高剛性結(jié)構(gòu)的速度法向周期為1.5 s至2.5 s。SI值針對的是震動速度譜，因此能夠輕松區(qū)分地震活動與地震或其他來源。所以，SI值可以用作地震對建筑物結(jié)構(gòu)健康影響的標準。此外，與JMA地震強度相比，SI值涉及的計算較為簡單，這使其更適合低功率應用。

式3給出了頻譜強度方程，即震動速度響應譜對建筑物法向速度周期的積分¹¹。

地震震級

地震震級（簡稱震級）表示地震在震源處釋放的能量。其值不取決于測量位置。實際上，它只有一個真實值，即按照里氏量表指定的數(shù)字。有記錄的最強地震是1960年代襲擊智利瓦爾迪維亞的地震，震級為9.4至9.6。

地震震級與強度之間的相關性尚未完全界定清楚。明確界定二者之間的關系取決于許多因素，包括震源的深度、震源周圍的地質(zhì)組成、震中與測量設備之間的地形類型、設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。根據(jù)2017年7月的USGS震動圖12，蒙大拿州感到的地震強度為5至6級，愛達荷州也感到了相同的地震，但強度只有2至3級。這表明，即使愛達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更強烈。

地震檢測

地震檢測是指測量和分析地震波的過程。地震波不僅指地震產(chǎn)生的運動，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。地震監(jiān)測應用感興趣的地動范圍非常大。地震產(chǎn)生的地動可能像紙一樣薄，也可能像房屋一樣高。

地動可以通過位移、速度和加速度來表征。地動位移通過地球表面行進的距離來衡量。位置變化可以是水平的，也可以是垂直的。地動速度指地表面移動的速度，而地動加速度指地動速度相對于時間的變化速度。地動加速度是確定地震過程中引起結(jié)構(gòu)應力的最重要因素。GeoSIG的一份演示材料中顯示了震級、地震動和強度之間的關系¹³。

用于地震檢測的設備屬于專用設備。涉及地震檢測的應用可以根據(jù)其頻率范圍進行分類。因此，儀器的頻率響應曲線必須適合其使用場景。GeoSIG的一張圖表顯示了不同地震檢測應用及其涵蓋的頻率¹³。

現(xiàn)代地震儀和地震動傳感器概述

地震檢測設備通常稱為地震儀，已經(jīng)從使用傳統(tǒng)的筆和擺錘發(fā)展到使用電子和機電傳感器。這些傳感器的設計進步產(chǎn)生了具有不同工作頻率范圍、檢測機制和測量不同地震動參數(shù)的儀器。

應變地震儀

歷史上的地震儀器只能記錄地動位移。技術(shù)的進步使得通過不同機制來測量地動位移成為可能。應變地震儀或應變儀一般是指記錄和測量兩個地面點之間位移的儀器¹⁴。傳統(tǒng)模型使用埋入或安裝在鉆孔中的實心桿。桿通常注入石英和其他對長度和應變變化高度敏感的材料。長度的變化歸因于地動引起的小位移。

另一種實現(xiàn)方式稱為體積應變儀，它使用帶有充液管的安裝在鉆孔中的圓柱體¹⁵。容器體積的變形會引起液位變化，再通過電壓位移傳感器轉(zhuǎn)換為地動位移。由于不需要傳統(tǒng)模型所需的特殊材料，體積應變儀在該領域得到了更廣泛的應用。

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

應變儀的精度可以達到十億分之一。這些設備通常用于測量斷層運動和火山活動引起的地球變形或地殼運動。它們可以測量頻率非常低的地震波信號。但是，與懸吊質(zhì)量塊相對于地面的運動相比，應變儀的差分地面運動非常小。因此，不建議使用應變儀來檢測地震引起的地面運動³。

慣性地震儀

慣性地震儀確定相對于慣性參考的地動參數(shù)，慣性參考通常是一個懸吊質(zhì)量塊³。具體來說，地震動參數(shù)指的是懸吊質(zhì)量塊的線速度和位移。雖然合成的地震動包括線性和角度分量，但地震波的旋轉(zhuǎn)效應可以忽略不計。這些速度和位移值是從傳感器獲得的，傳感器將懸吊質(zhì)量塊的運動轉(zhuǎn)換為電信號。控制運動的機械懸架與作用在懸吊質(zhì)量塊上的慣性力相關。速度和位移傳感器與機械懸架是慣性地震儀的兩個主要組成部分。為這兩個部分開發(fā)精密儀器是現(xiàn)代慣性地震儀的主要設計工作。

力平衡加速度計

機械懸架需要一個較小的恢復力以提高靈敏度，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，當強地震運動產(chǎn)生的大加速度作用于懸吊質(zhì)量塊時，較小恢復力將無法平衡所產(chǎn)生的運動。因此，被動機械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動加速度。力平衡加速度計(FBA)通過向機械懸架增加負反饋環(huán)路來消除此限制。

電磁傳感器根據(jù)懸吊質(zhì)量塊的位置產(chǎn)生補償力。該位置由位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，信號隨后通過一個積分器模塊，產(chǎn)生與地震動加速度成比例的輸出電壓。FBA的動態(tài)范圍明顯大于采用被動機械懸架的地震儀。因此，該設備通常用于強地震應用。但是，反饋環(huán)路引起的延遲會限制設備的帶寬。

速度寬帶(VBB)地震儀

車輛運動和人為擾動（例如采礦）引起的地震波具有高頻地震動加速度。在非常低的頻率下，地動加速度以不平衡的懸架、地面傾斜和熱效應為主。因此，使用地震動加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應為限。地震動加速度的帶通響應等效于地震動速度的高通響應。因此，為了獲得更寬的地震儀帶寬，地震信號是以地震動速度記錄的。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。該設備的響應與傳統(tǒng)慣性地震儀的理論響應非常相似，但是對于更廣泛的作用力，其靈敏度和精度不會降低。

地震檢波器和微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計

日益增多的地震應用的趨勢是發(fā)展地震儀或地震傳感器網(wǎng)絡和陣列，例如用于地震監(jiān)測、石油勘探和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面。地震儀的實施、屏蔽和安裝是這些應用的三個常見約束條件。設備的規(guī)模生產(chǎn)和快速部署能夠直接克服這三個常見限制，為此要求地震儀的尺寸和成本相應地縮減。當前有兩類傳感器技術(shù)能夠檢測地震動；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速度傳感器，其重量輕，堅固耐用，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，并被一個線圈包圍¹⁶。線圈被彈簧懸掛起來，可以在磁體上移動。此運動相對于磁鐵的速度會感生一個輸出電壓信號。

圖3所示為4.5 Hz地震檢波器的仿真頻率響應。對于高于其諧振頻率的頻率范圍，地震檢波器的頻率響應在速度上是平坦的，而對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4.5 Hz。

圖3.仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應，阻尼系數(shù)為0.56

根據(jù)地震檢波器的機械規(guī)格可以創(chuàng)建等效電氣模型。圖4顯示了使用SM-6 4.5 Hz地震檢波器的機械參數(shù)的電氣模型。¹⁷

圖4.使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的機械參數(shù)得出的SM-6 4.5 Hz地震檢波器的等效電氣模型17

為了擴展帶寬以覆蓋適用于地震檢測的較低頻率，可以使用周期擴展器。低頻響應擴展的三種最常見方法是逆濾波器、正反饋和負反饋。¹⁸