了解地震信號檢測網(wǎng)絡(luò )的基礎知識

使用ADI解決方案的現代DAS設計

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

圖8.使用IFP放大器系統的傳統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(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(lèi)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)周期擴展器來(lái)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格。當設計采用單電源供電時(shí)，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為ADC范圍的中心。

MEMS加速度計固有的頻率響應使其容易受到失調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的加速度信號。地震檢波器周期延長(cháng)器和加速度計帶通濾波器都需要低噪聲、低失調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，基準電壓值還應考慮三個(gè)加速度信號的電壓擺幅?；鶞孰妷旱氖д{電壓溫漂必須非常低，特別是對于室外設施（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(mǎn)足這些要求²⁷。

對于有電力線(xiàn)的設施，例如建筑物和測站，地震傳感器的電源可以從有線(xiàn)直流電源轉換器獲??；對于遠程和現場(chǎng)設施，電源可以從電池獲取。從有線(xiàn)直流電源轉換器獲取時(shí)，低噪聲開(kāi)關(guān)穩壓器和低噪聲、低壓差(LDO)穩壓器適合應用。ADI公司LDO穩壓器（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(cháng)期運行而無(wú)需維護。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行。

如果使用模擬輸出加速度計，Σ-?型轉換器會(huì )接收來(lái)自周期擴展器的三個(gè)通道速度信號和另外三個(gè)通道加速度信號。該設計需要至少有六個(gè)輸入通道的轉換器。如果可能，速度和加速度信號須同時(shí)采樣。對于采樣時(shí)在通道之間切換的多通道ADC，采樣速率需要更高。地震的目標信號最大頻率為100 Hz。對于這些信號，無(wú)混疊的采樣頻率應為至少200 Hz或每周期5 ms。每個(gè)加速度和速度通道應以至少1.2 kSPS的采樣速率采樣。地震信號的分析推動(dòng)了每個(gè)通道的過(guò)采樣。因此，應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(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)施和應用地震儀器設計，并能輕松達到A類(lèi)數據采集單元的標準要求。

低成本處理器的功能因應用而異。對于使用外部計算設備進(jìn)行數據分析的遠程節點(diǎn)，處理器是一個(gè)數據記錄儀，它將所有通道的地震數據存儲并打包為標準格式（SEED或SEG-Y），然后通過(guò)數據接口將其發(fā)送到計算設備。此應用的處理要求較低，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)外設用于計時(shí)和時(shí)間同步數據采樣。

對于內置數據分析功能的獨立儀器，DSP會(huì )根據應用計算地震特征和其他參數，例如用于結構健康監測的建筑物健康指標。地震數據分析需要計算各種數學(xué)和統計函數。例如，地震強度的計算需要對數函數和用于加速度和速度的峰值檢測窗口。此外，處理時(shí)間應足夠短，以便能連續進(jìn)行數據采樣和處理。ADSP-BF706是一款低成本、低功耗DSP，處理速度高達400 MHz，是現場(chǎng)儀表應用的業(yè)界首選DSP32。它提供多個(gè)無(wú)縫外圍接口，使得連接數據接口和ADC等外部器件更容易。

儀器的位置數據可以從GPS模塊中提取，或者在安裝過(guò)程中手動(dòng)設置。對于時(shí)間數據，低成本DSP可以使用其內部RTC外設，或通過(guò)數據接口使用NTP。數據接口有多種選擇，具體取決于安裝類(lèi)型。儀器可以使用工業(yè)RS-485接口進(jìn)行有線(xiàn)通信（尤其是在建筑物內部），或使用以太網(wǎng)接口輕松將設備連接到現有數據網(wǎng)絡(luò )。對于無(wú)線(xiàn)通信，儀器可以使用Wi-Fi設備或ADI公司 SmartMesh^? IP³³，后者可在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現全面的數據可靠性。

應用

隨著(zhù)各個(gè)位置部署的地震傳感器數量的增加，地震數據的可靠性也會(huì )提高。從地震數據中可以提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應用，例如結構健康監測、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(jiàn)應用。

遠程地震網(wǎng)絡(luò )

火山學(xué)和地震學(xué)研究將地震傳感器部署在險峻（有時(shí)甚至危險）的地形中³⁴。監測火山內部過(guò)程需要在多點(diǎn)進(jìn)行地震動(dòng)監測。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，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(cháng)的使用壽命。另一個(gè)類(lèi)似情況是板塊運動(dòng)的特征，這也需要沿著(zhù)斷層線(xiàn)部署大量地震傳感器。

地震預警系統

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)現一種檢測地震早期跡象的地震預警系統。這樣，所有類(lèi)型的系統都有一個(gè)很短的時(shí)間來(lái)作出響應，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)閉電力系統和天然氣管道。使用受保護區域周?chē)鄠€(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時(shí)間。另外，非地震源引起的誤報也會(huì )降到最低。圖10顯示了用于保護特定區域或結構的地震預警系統的可能設置。

預警系統允許的響應時(shí)間與地震傳感器距受保護結構的徑向距離成比例，如式5所示。假設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)，則可以計算出，地震傳感器與保護區的距離每增加7.51 km，響應時(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時(shí)間提供更高的時(shí)間分辨率。

式5展示了預警系統響應時(shí)間與地震傳感器距保護區的徑向距離之間的關(guān)系。

結構健康監控

通過(guò)監測建筑物對受迫振動(dòng)測試的響應并建模，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后評估、響應和恢復。在廣泛損壞的情況下，廣泛分布的地震傳感器網(wǎng)絡(luò )可以定位結構損壞區域，從而降低目視檢查的風(fēng)險和成本。一項關(guān)于強震動(dòng)儀器的研究將此應用于20層鋼制MRF建筑——Atwood大樓，使用部署在10個(gè)層級的32個(gè)基于加速度計的地震傳感器來(lái)精確監測大樓的結構健康狀況36。

結論

地震傳感器網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)技術(shù)、地震研究和結構健康監測中應用廣泛。應用需求已改變地震儀的傳感器和系統需求，使其更青睞遠程系統和較低運行成本?，F代低成本地震動(dòng)檢測技術(shù)的測量能力已經(jīng)能夠與傳統儀器相媲美。采用ADI公司的各種產(chǎn)品，可以實(shí)現一種滿(mǎn)足不同地震檢測應用的檢測設備。

圖10.使用地震傳感器網(wǎng)絡(luò )的地震預警系統，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。由美國地質(zhì)調查局ShakeAlert項目提供³⁵。