了解地震信號檢測網(wǎng)絡(luò )的基礎知識

逆濾波器

在低于諧振頻率的頻率上，逆濾波器會(huì )補償地震檢波器的滾降。通過(guò)級聯(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，可以構建逆濾波器。圖5顯示了逆濾波器的響應以及應用時(shí)得到的轉換函數。此方法有很多缺點(diǎn)，使得總體結果的信噪比(SNR)較低。粉紅噪聲會(huì )被逆濾波器放大，而且其低頻熱穩定性很差。

圖5.逆濾波器轉換函數的頻率響應及其對仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應的影響

正反饋

正反饋是將外部電流饋入地震檢波器線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現的，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中導出的，它會(huì )放大低頻懸吊質(zhì)量塊的運動(dòng)。在實(shí)際情況中，正反饋濾波器的設計很難保持穩定。

負反饋

與正反饋相反，負反饋會(huì )減弱內部懸吊質(zhì)量塊的運動(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(xiàn)圈的電流過(guò)阻尼。但是，這會(huì )受到線(xiàn)圈電阻的物理限制。為將阻尼電阻減小到顯著(zhù)低于線(xiàn)圈電阻的值，應添加一個(gè)負電阻。負電阻可以通過(guò)負阻抗轉換器(NIC)等有源器件來(lái)實(shí)現。這可以通過(guò)使用運算放大器（運放）來(lái)實(shí)現，如圖6所示?？梢蕴砑訋V波器和高增益濾波器來(lái)對頻率響應進(jìn)行整形并使之穩定。

圖6.使用運算放大器的負阻抗轉換器的基本架構

MEMS加速度計

MEMS加速度計是采用單個(gè)IC器件封裝的運動(dòng)傳感器。典型結構是使用一對電容和一個(gè)微小的硅質(zhì)量塊，中間有金屬板19。非常薄的硅區域將質(zhì)量塊懸吊在中間。質(zhì)量塊位置的變化會(huì )導致器件電容發(fā)生變化，進(jìn)而轉換為與懸吊質(zhì)量塊的加速度成比例的電壓信號。MEMS器件需要電源才能工作，某些MEMS加速度計內置數字化儀，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加速度計的頻率響應就像一個(gè)截止頻率為諧振頻率的低通濾波器。

圖7.MEMS加速度計(ADXL354)在X軸上的頻率響應20

由于失調漂移，MEMS加速度計在諧振頻率以下的較高頻率時(shí)表現更好²¹。相反，地震檢波器由于其機械結構，在較低頻率（但仍高于諧振頻率）時(shí)表現更好?？梢詫?shí)現一個(gè)小型低成本的地震儀，以同時(shí)利用地震檢波器和MEMS加速度計來(lái)獲得更高的器件帶寬。當與適當的傳感器轉換函數進(jìn)行卷積運算時(shí)，地震檢波器和MEMS加速度計的傳感器輸出可以轉換為不同的地動(dòng)參數。論文“地震檢測：使用實(shí)驗室和現場(chǎng)數據比較地震檢波器與加速度計”，基于每種傳感器的常見(jiàn)轉換函數，討論了針對相同地震動(dòng)位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計傳感器輸出²¹。

地震傳感器儀器指南

為了提供可重復性和一致性，并支持采用地震儀陣列或地震傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行地震信號分析，需要對所用的儀器制定一套標準和規范。USGS已為其要部署在國家先進(jìn)地震系統(ANSS)中的儀器設定了標準22。本部分根據USGS提到的經(jīng)驗和技術(shù)趨勢，討論廣泛應用實(shí)現期望器件性能所需的不同規格。

數據采集系統(DAS)標準

USGS將現代地震儀歸類(lèi)為數據采集系統。與傳統地震儀相比，標準DAS包括地震傳感器、數據采集單元以及外設和通信硬件。根據設備性能可將其分為A、B、C、D四類(lèi)儀器。A類(lèi)儀器接近最先進(jìn)的地震儀，而D類(lèi)儀器可與傳統地震儀相媲美。有關(guān)規格的詳細討論，請參見(jiàn)《儀器指南》22。

儀器帶寬

對于測量速度和加速度的地震傳感器，其額定帶寬和頻率響應是不同的。儀器等級越高，其帶寬越寬，頻率響應越好。寬帶傳感器全都是 A 類(lèi)儀器，帶寬至少為0.01 Hz至50 Hz。在0.033 Hz至50 Hz的頻率范圍內，其對速度的頻率響應是平坦的。²²

短周期 A 類(lèi)傳感器具有 0.2 Hz — 50 Hz 的低帶寬。只有在1 Hz至35 Hz的頻率范圍內，其對速度的頻率響應才是平坦的²²。

A 類(lèi)加速度計在 0.02 Hz — 50 Hz 范圍內具有平坦的頻率響應，而B(niǎo)類(lèi)加速度計僅在0.1 Hz至35 Hz范圍內具有平坦的頻率響應。²²

強震動(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的幅度和頻率范圍進(jìn)行分類(lèi)。強震動(dòng)傳感器可測量大幅度地震信號，通常是加速度計。強震動(dòng)加速度計可測量高達3.5 g的加速度，而且系統噪聲水平低于1μg/√Hz22。

弱震動(dòng)傳感器可測量幅度非常低的地震信號，噪聲水平低于1 ng/√Hz²²。然而，寬帶傳感器已經(jīng)能夠測量低幅度的地震信號，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1500 Vs/m。當最大輸出電壓為±20 V時(shí)，輸出削波電平或最大可測速度為±0.013 m/s。²²

在較小頻率范圍內，短周期速度傳感器比寬帶傳感器更靈敏。對于1 Hz信號頻率，削波電平通常為±0.01 m/s。²²

A類(lèi)加速度計的削波電平大于±3.5 g，而B(niǎo)類(lèi)加速度計的削波電平為±2.5 g ²²。

傳感器動(dòng)態(tài)范圍是指最大可測量地震信號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(lèi)型傳感器的動(dòng)態(tài)范圍：寬帶傳感器²²

表3.不同類(lèi)型傳感器的動(dòng)態(tài)范圍：短周期傳感器²²

表4.不同類(lèi)型傳感器的動(dòng)態(tài)范圍：加速度計²²

傳感器通道和方向

地震波產(chǎn)生的線(xiàn)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標準方向是朝東、朝北和朝上。但是，對于水平和垂直傳感器，傳統（甚至某些現代）地震儀的結構是不同的，因為垂直傳感器必須考慮重力作用。同質(zhì)三軸排列支持使用結構類(lèi)似的傳感器來(lái)確定笛卡爾坐標軸上的線(xiàn)性地震動(dòng)分量³。傳感器位于一個(gè)以?xún)x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（相對于垂直方向）。使用式4所示的方程可將修改的坐標軸轉換回笛卡爾坐標軸。

式4展示了將同質(zhì)三軸排列轉換為笛卡爾坐標系的轉換矩陣。

然而，大部分現代傳感器已被封裝和設計成支持三軸測量。這些傳感器有非常小的固有跨軸耦合效應。儀器指南要求跨軸耦合必須小于輸出信號的–70dB²²。

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。用于地震儀器的數據記錄儀能夠以高分辨率記錄各種采樣速率的信號。寬帶地震儀至少需要20位數據分辨率，采樣速率為最低0.1 SPS（樣本/秒）至最高200 SPS。短周期速度傳感器和A類(lèi)加速度計至少需要22位數據分辨率，采樣速率為1 SPS至200 SPS。B類(lèi)加速度計對數據分辨率的要求較低，至少16位即可。²²

采樣速率規格考慮了儀器及其內部數據存儲。但是，高級地震儀配備了更多的存儲空間，并且可以訪(fǎng)問(wèn)大型網(wǎng)絡(luò )數據空間（例如云數據服務(wù)），因此可以支持超過(guò)額定規格的采樣速率，這樣便可開(kāi)展更準確的數據分析和地震研究。

時(shí)間和位置信息

地震信號僅與特定的測量位置和時(shí)間有關(guān)。每臺地震儀器的數據都有時(shí)間戳和已知全球位置，這是標準。每臺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(hù)輸入，要么通過(guò)全球定位系統(GPS)設備或服務(wù)?，F代地震儀還有內置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或者可以通過(guò)在線(xiàn)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。

輸出數據格式

全球地震儀器主要使用兩種數據格式：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(kāi)發(fā)的一種開(kāi)放標準，用于處理三維地震信號之類(lèi)的地球物理數據²³。每個(gè)記錄都包括時(shí)間戳、采樣間隔和實(shí)際測量的坐標位置。格式規范和修訂的詳細信息可以在該組織的網(wǎng)站上查看。還應注意的是，有多種使用 SEG-Y 格式的地震分析開(kāi)源軟件，但大多數軟件并未嚴格遵循規范。

地震數據交換標準(SEED)格式旨在簡(jiǎn)化機構之間和儀器之間交換未處理的地震數據并確保準確性²⁴。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)數據SEED）用于數據分析和處理。miniSEED僅包含波形數據，而無(wú)數據SEED包含有關(guān)地震儀器和測站的信息。

ADI公司系統設計

為了快速部署和實(shí)現地震網(wǎng)絡(luò )，特別是針對城市和結構監測站，必須改變傳統地震儀的設計。遠程儀器必須符合當前儀器指南，以使現代地震信號測量符合既有數據標準并與之相關(guān)聯(lián)。但是，方案的成本和規模應大大縮小。將小型地震檢波器和MEMS加速度計用作地震動(dòng)傳感器，再加上高性能ADC和數字信號處理器(DSP)，是一種合理的解決方案。⁵

模數轉換器(ADC)考慮

DAS的數據采集單元(DAU)的主要設計考慮因素是模數轉換器(ADC)。傳統上，這是由數字現場(chǎng)系統(DFS)來(lái)執行的，該系統用作線(xiàn)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 )增加系統噪聲和功耗。多路復用器的使用會(huì )增加開(kāi)關(guān)、串擾和諧波失真。最重要的是，SAR ADC引起的量化誤差會(huì )限制系統的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率²⁵。因此，最好使用其他架構和其他轉換器來(lái)設計DAU。

Sigma-Delta (∑-Δ)型轉換器

Σ-Δ型轉換器利用信號中的變化并將其添加到原始信號中。這樣可以減少SAR ADC固有的量化誤差，并能實(shí)現更高的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。有了現代Σ-Δ型ADC，便不再需要以分立方式實(shí)現信號調理濾波器。這些ADC具有豐富且可配置的數字濾波器，它們可以執行與傳統信號鏈相同的功能。這就有效降低了系統噪聲和設計復雜性。此外，高端精密Σ-Δ型ADC能夠以至少24位分辨率同時(shí)檢測多個(gè)通道。