了解地震信号检测网络的基础知识

逆滤波器

在低于谐振频率的频率上，逆滤波器会补偿地震检波器的滚降。通过级联谐振频率的反相高通滤波器和截止频率为所需降低值的低通滤波器，可以构建逆滤波器。图5显示了逆滤波器的响应以及应用时得到的转换函数。此方法有很多缺点，使得总体结果的信噪比(SNR)较低。粉红噪声会被逆滤波器放大，而且其低频热稳定性很差。

图5.逆滤波器转换函数的频率响应及其对仿真4.5 Hz地震检波器频率响应的影响

正反馈

正反馈是将外部电流馈入地震检波器线圈来实现的，电流会产生一个力作用在悬吊质量块上。此外部电流信号是通过正反馈滤波器（例如积分滤波器）从地震检波器的输出信号中导出的，它会放大低频悬吊质量块的运动。在实际情况中，正反馈滤波器的设计很难保持稳定。

负反馈

与正反馈相反，负反馈会减弱内部悬吊质量块的运动。一种方法是通过降低阻尼电阻来使流过地震检波器线圈的电流过阻尼。但是，这会受到线圈电阻的物理限制。为将阻尼电阻减小到显著低于线圈电阻的值，应添加一个负电阻。负电阻可以通过负阻抗转换器(NIC)等有源器件来实现。这可以通过使用运算放大器（运放）来实现，如图6所示。可以添加带通滤波器和高增益滤波器来对频率响应进行整形并使之稳定。

图6.使用运算放大器的负阻抗转换器的基本架构

MEMS加速度计

MEMS加速度计是采用单个IC器件封装的运动传感器。典型结构是使用一对电容和一个微小的硅质量块，中间有金属板19。非常薄的硅区域将质量块悬吊在中间。质量块位置的变化会导致器件电容发生变化，进而转换为与悬吊质量块的加速度成比例的电压信号。MEMS器件需要电源才能工作，某些MEMS加速度计内置数字化仪，可消除不必要的噪声，而且无需匹配传感器和记录器。如图6所示，MEMS加速度计的频率响应就像一个截止频率为谐振频率的低通滤波器。

图7.MEMS加速度计(ADXL354)在X轴上的频率响应20

由于失调漂移，MEMS加速度计在谐振频率以下的较高频率时表现更好²¹。相反，地震检波器由于其机械结构，在较低频率（但仍高于谐振频率）时表现更好。可以实现一个小型低成本的地震仪，以同时利用地震检波器和MEMS加速度计来获得更高的器件带宽。当与适当的传感器转换函数进行卷积运算时，地震检波器和MEMS加速度计的传感器输出可以转换为不同的地动参数。论文“地震检测：使用实验室和现场数据比较地震检波器与加速度计”，基于每种传感器的常见转换函数，讨论了针对相同地震动位移Ricker子波的地震检波器和MEMS加速度计传感器输出²¹。

地震传感器仪器指南

为了提供可重复性和一致性，并支持采用地震仪阵列或地震传感器网络进行地震信号分析，需要对所用的仪器制定一套标准和规范。USGS已为其要部署在国家先进地震系统(ANSS)中的仪器设定了标准22。本部分根据USGS提到的经验和技术趋势，讨论广泛应用实现期望器件性能所需的不同规格。

数据采集系统(DAS)标准

USGS将现代地震仪归类为数据采集系统。与传统地震仪相比，标准DAS包括地震传感器、数据采集单元以及外设和通信硬件。根据设备性能可将其分为A、B、C、D四类仪器。A类仪器接近最先进的地震仪，而D类仪器可与传统地震仪相媲美。有关规格的详细讨论，请参见《仪器指南》22。

仪器带宽

对于测量速度和加速度的地震传感器，其额定带宽和频率响应是不同的。仪器等级越高，其带宽越宽，频率响应越好。宽带传感器全都是 A 类仪器，带宽至少为0.01 Hz至50 Hz。在0.033 Hz至50 Hz的频率范围内，其对速度的频率响应是平坦的。²²

短周期 A 类传感器具有 0.2 Hz — 50 Hz 的低带宽。只有在1 Hz至35 Hz的频率范围内，其对速度的频率响应才是平坦的²²。

A 类加速度计在 0.02 Hz — 50 Hz 范围内具有平坦的频率响应，而B类加速度计仅在0.1 Hz至35 Hz范围内具有平坦的频率响应。²²

强震动、弱震动和宽带传感器

DAS使用的传感器按其捕获的地震信号的幅度和频率范围进行分类。强震动传感器可测量大幅度地震信号，通常是加速度计。强震动加速度计可测量高达3.5 g的加速度，而且系统噪声水平低于1μg/√Hz22。

弱震动传感器可测量幅度非常低的地震信号，噪声水平低于1 ng/√Hz²²。然而，宽带传感器已经能够测量低幅度的地震信号，因此很少使用弱震动传感器。

传感器动态范围和削波电平

宽带速度传感器的灵敏度为1500 Vs/m。当最大输出电压为±20 V时，输出削波电平或最大可测速度为±0.013 m/s。²²

在较小频率范围内，短周期速度传感器比宽带传感器更灵敏。对于1 Hz信号频率，削波电平通常为±0.01 m/s。²²

A类加速度计的削波电平大于±3.5 g，而B类加速度计的削波电平为±2.5 g ²²。

传感器动态范围是指最大可测量地震信号的均方根值与均方根自噪声之比。但是，传感器的均方根自噪声会随其带宽而变化。表2列出了不同地震传感器在不同频率范围下的动态范围。

表2.不同类型传感器的动态范围：宽带传感器²²

表3.不同类型传感器的动态范围：短周期传感器²²

表4.不同类型传感器的动态范围：加速度计²²

传感器通道和方向

地震波产生的线性地震动分量于所有三个笛卡尔轴中均存在。三轴地震传感器的传统标准方向是朝东、朝北和朝上。但是，对于水平和垂直传感器，传统（甚至某些现代）地震仪的结构是不同的，因为垂直传感器必须考虑重力作用。同质三轴排列支持使用结构类似的传感器来确定笛卡尔坐标轴上的线性地震动分量³。传感器位于一个以仪器为中心的圆的三个均等间隔点上，并向其倾斜54.7度（相对于垂直方向）。使用式4所示的方程可将修改的坐标轴转换回笛卡尔坐标轴。

式4展示了将同质三轴排列转换为笛卡尔坐标系的转换矩阵。

然而，大部分现代传感器已被封装和设计成支持三轴测量。这些传感器有非常小的固有跨轴耦合效应。仪器指南要求跨轴耦合必须小于输出信号的–70dB²²。

分辨率和采样速率

在非常低的频率下，地震引起的地震动幅度可能非常小。用于地震仪器的数据记录仪能够以高分辨率记录各种采样速率的信号。宽带地震仪至少需要20位数据分辨率，采样速率为最低0.1 SPS（样本/秒）至最高200 SPS。短周期速度传感器和A类加速度计至少需要22位数据分辨率，采样速率为1 SPS至200 SPS。B类加速度计对数据分辨率的要求较低，至少16位即可。²²

采样速率规格考虑了仪器及其内部数据存储。但是，高级地震仪配备了更多的存储空间，并且可以访问大型网络数据空间（例如云数据服务），因此可以支持超过额定规格的采样速率，这样便可开展更准确的数据分析和地震研究。

时间和位置信息

地震信号仅与特定的测量位置和时间有关。每台地震仪器的数据都有时间戳和已知全球位置，这是标准。每台地震仪器的每次记录都必须能够附加上其位置，要么通过手动用户输入，要么通过全球定位系统(GPS)设备或服务。现代地震仪还有内置实时时钟，或者可以通过在线网络时间协议(NTP)服务器等与精确参考时间同步。

输出数据格式

全球地震仪器主要使用两种数据格式：SEG-Y 和 SEED。SEG-Y格式是由勘探地球物理学家协会(SEG)开发的一种开放标准，用于处理三维地震信号之类的地球物理数据²³。每个记录都包括时间戳、采样间隔和实际测量的坐标位置。格式规范和修订的详细信息可以在该组织的网站上查看。还应注意的是，有多种使用 SEG-Y 格式的地震分析开源软件，但大多数软件并未严格遵循规范。

地震数据交换标准(SEED)格式旨在简化机构之间和仪器之间交换未处理的地震数据并确保准确性²⁴。虽然它主要用于地震记录存档，但有不同版本的SEED（例如miniSEED和无数据SEED）用于数据分析和处理。miniSEED仅包含波形数据，而无数据SEED包含有关地震仪器和测站的信息。

ADI公司系统设计

为了快速部署和实现地震网络，特别是针对城市和结构监测站，必须改变传统地震仪的设计。远程仪器必须符合当前仪器指南，以使现代地震信号测量符合既有数据标准并与之相关联。但是，方案的成本和规模应大大缩小。将小型地震检波器和MEMS加速度计用作地震动传感器，再加上高性能ADC和数字信号处理器(DSP)，是一种合理的解决方案。⁵

模数转换器(ADC)考虑

DAS的数据采集单元(DAU)的主要设计考虑因素是模数转换器(ADC)。传统上，这是由数字现场系统(DFS)来执行的，该系统用作线性逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和瞬时浮点(IFP)放大器。图8所示为传统DFS的框图。

前置放大器(PA)、低截止(LC)、高通滤波器、陷波滤波器(NF)、抗混叠(AA)高通滤波器和IFP放大器的分立实施会增加系统噪声和功耗。多路复用器的使用会增加开关、串扰和谐波失真。最重要的是，SAR ADC引起的量化误差会限制系统的动态范围和分辨率²⁵。因此，最好使用其他架构和其他转换器来设计DAU。

Sigma-Delta (∑-Δ)型转换器

Σ-Δ型转换器利用信号中的变化并将其添加到原始信号中。这样可以减少SAR ADC固有的量化误差，并能实现更高的分辨率和动态范围。有了现代Σ-Δ型ADC，便不再需要以分立方式实现信号调理滤波器。这些ADC具有丰富且可配置的数字滤波器，它们可以执行与传统信号链相同的功能。这就有效降低了系统噪声和设计复杂性。此外，高端精密Σ-Δ型ADC能够以至少24位分辨率同时检测多个通道。