了解地震信號檢測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識

使用ADI解決方案的現(xiàn)代DAS設(shè)計

圖9給出了一種低成本地震傳感器節(jié)點實施方案的一般框圖，這種節(jié)點可靈活適應(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.采用三個同質(zhì)三軸排列的地震檢波器和一個三軸MEMS加速度計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單個通道，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類似的單通道地震檢波器組合成一個三軸地震動傳感器。需要一個周期擴展器來向下擴展地震檢波器帶寬，以達到寬帶傳感器的標準儀器規(guī)格。當設(shè)計采用單電源供電時，周期擴展器還可以用作增益放大器，并將輸入信號的偏置設(shè)為ADC范圍的中心。

MEMS加速度計固有的頻率響應(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感興趣的頻率范圍內(nèi)的加速度信號。地震檢波器周期延長器和加速度計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算放大器，例如 ADA4610-1 ²⁶。

基準電壓設(shè)置ADC的測量范圍和周期擴展器的輸出信號擺幅。如果使用模擬輸出傳感器，基準電壓值還應(yīng)考慮三個加速度信號的電壓擺幅?；鶞孰妷旱氖д{(diào)電壓溫漂必須非常低，特別是對于室外設(shè)施（通常在0?C至50?C）。ADI公司的超低噪聲和高精度基準電壓源ADR45xx系列是行業(yè)標桿，可以輕松滿足這些要求²⁷。

對于有電力線的設(shè)施，例如建筑物和測站，地震傳感器的電源可以從有線直流電源轉(zhuǎn)換器獲??；對于遠程和現(xiàn)場設(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，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)計需要高負載效率且低功耗的充電控制器和電池充電器，以便維持儀器長期運行而無需維護。此外，如果儀器能夠從容易獲得的能源（例如太陽能和熱能）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行。

如果使用模擬輸出加速度計，Σ-?型轉(zhuǎn)換器會接收來自周期擴展器的三個通道速度信號和另外三個通道加速度信號。該設(shè)計需要至少有六個輸入通道的轉(zhuǎn)換器。如果可能，速度和加速度信號須同時采樣。對于采樣時在通道之間切換的多通道ADC，采樣速率需要更高。地震的目標信號最大頻率為100 Hz。對于這些信號，無混疊的采樣頻率應(yīng)為至少200 Hz或每周期5 ms。每個加速度和速度通道應(yīng)以至少1.2 kSPS的采樣速率采樣。地震信號的分析推動了每個通道的過采樣。因此，應(yīng)選擇采樣速率遠高于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，支持以不同方式實施和應(yīng)用地震儀器設(shè)計，并能輕松達到A類數(shù)據(jù)采集單元的標準要求。

低成本處理器的功能因應(yīng)用而異。對于使用外部計算設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析的遠程節(jié)點，處理器是一個數(shù)據(jù)記錄儀，它將所有通道的地震數(shù)據(jù)存儲并打包為標準格式（SEED或SEG-Y），然后通過數(shù)據(jù)接口將其發(fā)送到計算設(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，它還有兩個實時時鐘(RTC)外設(shè)用于計時和時間同步數(shù)據(jù)采樣。

對于內(nèi)置數(shù)據(jù)分析功能的獨立儀器，DSP會根據(jù)應(yīng)用計算地震特征和其他參數(shù)，例如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的建筑物健康指標。地震數(shù)據(jù)分析需要計算各種數(shù)學和統(tǒng)計函數(shù)。例如，地震強度的計算需要對數(shù)函數(shù)和用于加速度和速度的峰值檢測窗口。此外，處理時間應(yīng)足夠短，以便能連續(xù)進行數(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400 MHz，是現(xiàn)場儀表應(yīng)用的業(yè)界首選DSP32。它提供多個無縫外圍接口，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設(shè)置。對于時間數(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)。對于無線通信，儀器可以使用Wi-Fi設(shè)備或ADI公司 SmartMesh^? IP³³，后者可在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)可靠性。

應(yīng)用

隨著各個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、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。

遠程地震網(wǎng)絡(luò)

火山學和地震學研究將地震傳感器部署在險峻（有時甚至危險）的地形中³⁴。監(jiān)測火山內(nèi)部過程需要在多點進行地震動監(jiān)測。在火山活動的某些階段之后，這些位置可能會變得危險，并使地震傳感器無法取回。低成本、低功耗地震傳感器將會降低研究成本，同時保持很長的使用壽命。另一個類似情況是板塊運動的特征，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現(xiàn)一種檢測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)都有一個很短的時間來作出響應(yīng)，防止地震造成重大破壞。在劇烈地面震動發(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。使用受保護區(qū)域周圍多個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)時間。另外，非地震源引起的誤報也會降到最低。圖10顯示了用于保護特定區(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)時間與地震傳感器距受保護結(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，而S波以2.0 mi/s或3.2 km/s的速度行進，則可以計算出，地震傳感器與保護區(qū)的距離每增加7.51 km，響應(yīng)時間就會增加一秒。此外，以較短的間距放置多個地震傳感器將能為響應(yīng)時間提供更高的時間分辨率。

式5展示了預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)時間與地震傳感器距保護區(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)測建筑物對受迫振動測試的響應(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險和成本。一項關(guān)于強震動儀器的研究將此應(yīng)用于20層鋼制MRF建筑——Atwood大樓，使用部署在10個層級的32個基于加速度計的地震傳感器來精確監(jiān)測大樓的結(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，使其更青睞遠程系統(tǒng)和較低運行成本?，F(xiàn)代低成本地震動檢測技術(shù)的測量能力已經(jīng)能夠與傳統(tǒng)儀器相媲美。采用ADI公司的各種產(chǎn)品，可以實現(xiàn)一種滿足不同地震檢測應(yīng)用的檢測設(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英里的多個位置。圖片由Erin Burkett (USGS)和(Orange County Register)制作。由美國地質(zhì)調(diào)查局ShakeAlert項目提供³⁵。