了解地震信号检测网络的基础知识

简介

跟着国际彼此联络和彼此依存的程度越来越高，中型和大型地震或许会形成严重的经济损坏和丢失。发生在任何软弱城市中心区域的大地震，都会对中心区域的国民经济及其企业供给服务和全球参加的才能发生连锁反应¹。应认识到地震危险是一个全球性问题，前进地震监测才能以减轻这种危险是至关重要的职责。

改善地震监测的一个关键要素是地震传感器网络的完成，这需求广泛布置地震仪器并将其互连²。可是，装置许多传统地震仪器的本钱和复杂性均很高³ 。集成物联网技能可供给低本钱解决方案，一起保持规范地震数据质量⁴。本文评论地震和地动传感器的物理原理、遵从的现代仪器规范以及它们提取的特征。此外，针对不同地震传感器网络运用，咱们开发了一个选用ADI解决方案的体系规划。

地震

地震是由结构板块的运动和磕碰引发的事情。磕碰发生的能量以地震波的办法在地球内部外表周围传达。这些波有多个方向，分为体波和面波。

体波有两种类型：纵波（P波）和横波（S波）。P波以一系列紧缩波和稀少波的办法沿传达方向跋涉。因为其传达的性质，P波呈球面发散。尽管其波能衰减在一切类型的波中是最大的，但其速度最快，介于 5 km/s 至 8 km/s 之间。快速能量衰减也使其成为损坏性最小的一类波。P波不只能够经过外表传达，还能够经过水或流体传达。

S波也称为剪切波，紧随P波之后抵达。其沿地球外表传达的速度约为P波的60%至70%。此类波笔直于传达方向和地球外表跋涉。S波的能量衰减较少，比P波更具损坏性。P波和S波统称为体波。

图1.地震波的类型：(a) 纵波；(b) 横波；(c) 勒夫波；(d) 瑞利波⁵

面波比体波慢10%，但损坏力最大。值得注意的是，地震波的传达速度与其经过的土壤类型有很大联系⁶。面波由瑞利波和勒夫波组成。瑞利波是一种以纹波办法在地表邻近传达的面波，它会引起顺行（沿传达方向）或逆行（与传达方向相反）旋转。因为其运动性质，它也被称为地滚波。勒夫波的跋涉方向与传达方向正交，但与地球外表平行。图1显现了不同类型的波及其对地球本体的影响。

震级、强度和频谱强度

地震震级和地震强度常常被彼此混杂。二者有必定的相关性，但却是两个不同地震参数的丈量。

地震强度

地震强度（简称强度）在很大程度上取决于丈量方位的特性。它描绘地震对特定区域的影响，在国际规划内遍及运用，是一种量化振荡办法和损坏程度的传统办法。因而，地震强度没有一个实在的值。地震强度值遵从批改的Mercalli强度量表（1至12）或Rossi-Forel量表（1至10）。不过，批改的Mercalli强度(MMI)现已成为国际的主导规范。表1列出了美国地质调查局(USGS)供给的批改Mercalli量表中的强度值及其相应的影响描绘。

表1.简易版批改Mercalli强度量表

确认地震强度的办法有许多⁷。这些办法运用从以往地震中搜集的数据，创立自己的地轰动猜测方程(GMPE)来猜测强度值。推导出的方程式至少运用一个地轰动参数或地轰动参数的组合，即峰值地轰动位移(PGD)、峰值地轰动速度(PGV)和峰值地轰动加速度(PGA)。前期方程首要依据PGA，有几种运用了PGV和PGD。尽管GMPE运用多个数据库中的数据来树立相关性，但不同模型得出的值依然差异很大。例如，运用Wald的GMPE，10 cm/s2的PGA值得出的MMI值为3.2。而依据Hershberger的GMPE，10 cm/s2的PGA值对应的MMI值为4.43。请注意，大多数GMPE遵从幂律，MMI值每添加一级，PGA值需求指数式添加。式1给出了Wald和Hershberger创立的相关性方程。

式1显现了地轰动猜测方程：

日本气象厅(JMA)规划了一种田震强度量表，它能够依据强运动三轴加速度数据来核算⁹。每个轴的加速度时刻信号都信息傅立叶改换。图2所示的带通滤波器（由周期效应滤波器、高截止和低截止滤波器组成）运用于每个轴的频率信号。图中还给出了每个子过滤器的数学表明。

图2.核算JMA强度所用加速度计输出信号的带通滤波器：(a) 周期效应滤波器方程；(b) 高截止滤波器方程；(c) 低截止滤波器方程。⁹

对每个轴的滤波后频率信号进行傅立叶逆改换之后，核算一切三个轴的相应时域信号矢量和的巨细。累计继续0.3秒或更长时刻的最高加速度值被指定为_a0。然后运用式2从_a0 核算仪器地震强度，即便用继续时刻至少为0.3秒的最高加速度求解JMA地震强度方程⁹。

地震频谱强度

地震强度衡量特定方位感受到的地震的影响，而频谱强度(SI)则衡量地震对特定结构施加的损坏性能量的巨细¹⁰。SI值运用式3所示方程依据速度呼应谱来核算。高刚性结构的速度法向周期为1.5 s至2.5 s。SI值针对的是轰动速度谱，因而能够轻松区别地震活动与地震或其他来历。所以，SI值能够用作地震对建筑物结构健康影响的规范。此外，与JMA地震强度比较，SI值触及的核算较为简略，这使其更合适低功率运用。

式3给出了频谱强度方程，即轰动速度呼应谱对建筑物法向速度周期的积分¹¹。

地震震级

地震震级（简称震级）表明地震在震源处开释的能量。其值不取决于丈量方位。实际上，它只要一个实在值，即依照里氏量表指定的数字。有记载的最强地震是1960年代突击智利瓦尔迪维亚的地震，震级为9.4至9.6。

地震震级与强度之间的相关性没有彻底界定清楚。清晰界定二者之间的联系取决于许多要素，包含震源的深度、震源周围的地质组成、震中与丈量设备之间的地势类型、设备方位或其距震中的间隔等。例如，2017年5月发生在俄勒冈州海岸邻近的地震被确认为4级。依据2017年7月的USGS轰动图12，蒙大拿州感到的地震强度为5至6级，爱达荷州也感到了相同的地震，但强度只要2至3级。这表明，即便爱达荷州比蒙大拿州更接近震中，但这并不必定意味着前者感到的地震影响会更激烈。

地震检测

地震检测是指丈量和剖析地震波的进程。地震波不只指地震发生的运动，施加在地上上的任何力，即便是人在地上上走路那么小的力，都或许引起足以发生地震波的扰动。地震监测运用感兴趣的地动规划十分大。地震发生的地动或许像纸相同薄，也或许像房子相同高。

地动能够经过位移、速度和加速度来表征。地动位移经过地球外表跋涉的间隔来衡量。方位改变能够是水平的，也能够是笔直的。地动速度指地外表移动的速度，而地动加速度指地动速度相关于时刻的改变速度。地动加速度是确认地震进程中引起结构应力的最重要要素。GeoSIG的一份演示材猜中显现了震级、地轰动和强度之间的联系¹³。

用于地震检测的设备归于专用设备。触及地震检测的运用能够依据其频率规划进行分类。因而，仪器的频率呼应曲线有必要合适其运用场景。GeoSIG的一张图表显现了不同地震检测运用及其包含的频率¹³。

现代地震仪和地轰动传感器概述

地震检测设备一般称为地震仪，现已从运用传统的笔和摆锤开展到运用电子和机电传感器。这些传感器的规划前进发生了具有不同作业频率规划、检测机制和丈量不同地轰动参数的仪器。

应变地震仪

历史上的地震仪器只能记载地动位移。技能的前进使得经过不同机制来丈量地动位移成为或许。应变地震仪或应变仪一般是指记载和丈量两个地上点之间位移的仪器¹⁴。传统模型运用埋入或装置在钻孔中的实心杆。杆一般注入石英和其他对长度和应变改变高度灵敏的资料。长度的改变归因于地动引起的小位移。

另一种完成办法称为体积应变仪，它运用带有充液管的装置在钻孔中的圆柱体¹⁵。容器体积的变形会引起液位改变，再经过电压位移传感器转换为地动位移。因为不需求传统模型所需的特别资料，体积应变仪在该范畴得到了更广泛的运用。

激光技能的最新开展使得人们制造出了激光干与仪，它大大前进了应变仪的精度。此类应变仪运用与不等臂长迈克尔逊干与仪相同的原理，一点是传感器、激光源和短臂，另一点是反射器，该反射器坐落必定间隔之外。设备将反射器运动引起的干与条纹改变转换为地动位移。这种位移丈量办法的灵敏度和精度与丈量间隔的长度成正比。因而，激光应变仪需求十分深的地下设备。

应变仪的精度能够到达十亿分之一。这些设备一般用于丈量断层运动和火山活动引起的地球变形或地壳运动。它们能够丈量频率十分低的地震波信号。可是，与悬吊质量块相关于地上的运动比较，应变仪的差分地上运动十分小。因而，不主张运用应变仪来检测地震引起的地上运动³。

惯性地震仪

惯性地震仪确认相关于惯性参阅的地动参数，惯性参阅一般是一个悬吊质量块³。详细来说，地轰动参数指的是悬吊质量块的线速度和位移。尽管组成的地轰动包含线性和视点重量，但地震波的旋转效应能够忽略不计。这些速度和位移值是从传感器取得的，传感器将悬吊质量块的运动转换为电信号。操控运动的机械悬架与作用在悬吊质量块上的惯性力相关。速度和位移传感器与机械悬架是惯性地震仪的两个首要组成部分。为这两个部分开发精密仪器是现代惯性地震仪的首要规划作业。

力平衡加速度计

机械悬架需求一个较小的康复力以前进灵敏度，这样较小的加速度也能在悬吊质量块上发生较大位移。可是，当强地震运动发生的大加速度作用于悬吊质量块时，较小康复力将无法平衡所发生的运动。因而，被迫机械悬架的精度和灵敏度只适用于有限规划的地轰动加速度。力平衡加速度计(FBA)经过向机械悬架添加负反应环路来消除此约束。

电磁传感器依据悬吊质量块的方位发生补偿力。该方位由位移传感器转换为电信号，信号随后经过一个积分器模块，发生与地轰动加速度成份额的输出电压。FBA的动态规划显着大于选用被迫机械悬架的地震仪。因而，该设备一般用于强地震运用。可是，反应环路引起的推迟会约束设备的带宽。

速度宽带(VBB)地震仪

车辆运动和人为扰动（例如采矿）引起的地震波具有高频地轰动加速度。在十分低的频率下，地动加速度以不平衡的悬架、地上歪斜和热效应为主。因而，运用地轰动加速度的地震仪的带宽以详细带通呼应为限。地轰动加速度的带通呼应等效于地轰动速度的高通呼应。因而，为了取得更宽的地震仪带宽，地震信号是以地轰动速度记载的。VBB地震仪依据FBA，但不是将悬吊质量块的加速度作为反应，而是运用其速度和方位。该设备的呼应与传统惯性地震仪的理论呼应十分类似，可是关于更广泛的作用力，其灵敏度和精度不会下降。

地震检波器和微机电体系(MEMS)加速度计

日益增多的地震运用的趋势是开展地震仪或地震传感器网络和阵列，例如用于地震监测、石油勘探和结构健康监测方面。地震仪的施行、屏蔽和装置是这些运用的三个常见约束条件。设备的规划出产和快速布置能够直接战胜这三个常见约束，为此要求地震仪的尺度和本钱相应地减缩。当时有两类传感器技能能够检测地轰动；与FBA和VBB比较，它们的尺度十分小，并且本钱低。

地震检波器

地震检波器是一种田轰动速度传感器，其重量轻，坚固耐用，不需求任何电源即可作业。现代地震检波器的外壳上固定有一块磁铁，并被一个线圈围住¹⁶。线圈被绷簧悬挂起来，能够在磁体上移动。此运动相关于磁铁的速度会感生一个输出电压信号。

图3所示为4.5 Hz地震检波器的仿真频率呼应。关于高于其谐振频率的频率规划，地震检波器的频率呼应在速度上是平整的，而关于此频率以下的频率则是下降的。小型且低本钱的地震检波器的谐振频率一般高于4.5 Hz。

图3.仿真4.5 Hz地震检波器频率呼应，阻尼系数为0.56

依据地震检波器的机械标准能够创立等效电气模型。图4显现了运用SM-6 4.5 Hz地震检波器的机械参数的电气模型。¹⁷

图4.运用产品数据表中的机械参数得出的SM-6 4.5 Hz地震检波器的等效电气模型17

为了扩展带宽以掩盖适用于地震检测的较低频率，能够运用周期扩展器。低频呼应扩展的三种最常见办法是逆滤波器、正反应和负反应。¹⁸