了解地震信号检测网络的基础知识

使用ADI解决方案的现代DAS设计

图9给出了一种低成本地震传感器节点实施方案的一般框图，这种节点可灵活适应不同的应用。

图8.使用IFP放大器系统的传统DFS的框图

图9.采用三个同质三轴排列的地震检波器和一个三轴MEMS加速度计的低成本地震仪的一般框图

支持地震成像功能的ADI三轴加速度计解决方案有 ADXL354 和 ADXL356 。其数字输出版本分别为 ADXL355 和 ADXL357 ，集成了20位ADC，可以直接与处理器连接²⁰。

低成本紧凑型地震检波器仅检测单个通道，谐振频率通常大于4.5 Hz，灵敏度大于25 V/m/s。同质三轴排列允许将三个类似的单通道地震检波器组合成一个三轴地震动传感器。需要一个周期扩展器来向下扩展地震检波器带宽，以达到宽带传感器的标准仪器规格。当设计采用单电源供电时，周期扩展器还可以用作增益放大器，并将输入信号的偏置设为ADC范围的中心。

MEMS加速度计固有的频率响应使其容易受到失调漂移和高频噪声的影响。带通滤波器可改善局部地震学感兴趣的频率范围内的加速度信号。地震检波器周期延长器和加速度计带通滤波器都需要低噪声、低失调电压和低输入偏置电流的精密运算放大器，例如 ADA4610-1 ²⁶。

基准电压设置ADC的测量范围和周期扩展器的输出信号摆幅。如果使用模拟输出传感器，基准电压值还应考虑三个加速度信号的电压摆幅。基准电压的失调电压温漂必须非常低，特别是对于室外设施（通常在0˚C至50˚C）。ADI公司的超低噪声和高精度基准电压源ADR45xx系列是行业标杆，可以轻松满足这些要求²⁷。

对于有电力线的设施，例如建筑物和测站，地震传感器的电源可以从有线直流电源转换器获取；对于远程和现场设施，电源可以从电池获取。从有线直流电源转换器获取时，低噪声开关稳压器和低噪声、低压差(LDO)稳压器适合应用。ADI公司LDO稳压器（例如ADM717x系列）具有高电源电压抑制比(PSRR)、低温漂和低噪声特性²⁸。电池供电的设计需要高负载效率且低功耗的充电控制器和电池充电器，以便维持仪器长期运行而无需维护。此外，如果仪器能够从容易获得的能源（例如太阳能和热能）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点跟踪和迟滞模式，可确保能量传输效率最高29。它有电源路径管理功能，可以在收集器、充电电池或原电池之间切换，使得自供电仪器能够可靠地运行。

如果使用模拟输出加速度计，Σ-∆型转换器会接收来自周期扩展器的三个通道速度信号和另外三个通道加速度信号。该设计需要至少有六个输入通道的转换器。如果可能，速度和加速度信号须同时采样。对于采样时在通道之间切换的多通道ADC，采样速率需要更高。地震的目标信号最大频率为100 Hz。对于这些信号，无混叠的采样频率应为至少200 Hz或每周期5 ms。每个加速度和速度通道应以至少1.2 kSPS的采样速率采样。地震信号的分析推动了每个通道的过采样。因此，应选择采样速率远高于1.2 kSPS的ADC。AD7768 是一款8通道24位Σ-Δ ADC，支持同步采样，无需更高采样速率30。其最大采样速率为256 kSPS，但在低功耗模式下，采样速率可降至32 kSPS。它非常灵活，支持以不同方式实施和应用地震仪器设计，并能轻松达到A类数据采集单元的标准要求。

低成本处理器的功能因应用而异。对于使用外部计算设备进行数据分析的远程节点，处理器是一个数据记录仪，它将所有通道的地震数据存储并打包为标准格式（SEED或SEG-Y），然后通过数据接口将其发送到计算设备。此应用的处理要求较低，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，推荐用于物联网应用³¹。它有低功耗模式，休眠模式功耗为 650 nA，快速唤醒关断模式功耗为 200 nA。此外，它还有两个实时时钟(RTC)外设用于计时和时间同步数据采样。

对于内置数据分析功能的独立仪器，DSP会根据应用计算地震特征和其他参数，例如用于结构健康监测的建筑物健康指标。地震数据分析需要计算各种数学和统计函数。例如，地震强度的计算需要对数函数和用于加速度和速度的峰值检测窗口。此外，处理时间应足够短，以便能连续进行数据采样和处理。ADSP-BF706是一款低成本、低功耗DSP，处理速度高达400 MHz，是现场仪表应用的业界首选DSP32。它提供多个无缝外围接口，使得连接数据接口和ADC等外部器件更容易。

仪器的位置数据可以从GPS模块中提取，或者在安装过程中手动设置。对于时间数据，低成本DSP可以使用其内部RTC外设，或通过数据接口使用NTP。数据接口有多种选择，具体取决于安装类型。仪器可以使用工业RS-485接口进行有线通信（尤其是在建筑物内部），或使用以太网接口轻松将设备连接到现有数据网络。对于无线通信，仪器可以使用Wi-Fi设备或ADI公司 SmartMesh^® IP³³，后者可在动态环境中实现全面的数据可靠性。

应用

随着各个位置部署的地震传感器数量的增加，地震数据的可靠性也会提高。从地震数据中可以提取大量信息，这些信息可用于广泛的应用，例如结构健康监测、地球物理研究、石油勘探甚至工业和家庭安全。本部分概要介绍地震传感器网络的三种常见应用。

远程地震网络

火山学和地震学研究将地震传感器部署在险峻（有时甚至危险）的地形中³⁴。监测火山内部过程需要在多点进行地震动监测。在火山活动的某些阶段之后，这些位置可能会变得危险，并使地震传感器无法取回。低成本、低功耗地震传感器将会降低研究成本，同时保持很长的使用寿命。另一个类似情况是板块运动的特征，这也需要沿着断层线部署大量地震传感器。

地震预警系统

S波和面波是更具破坏性的地震波，但其传播速度比破坏性最小的P波要慢。利用这种特征可以实现一种检测地震早期迹象的地震预警系统。这样，所有类型的系统都有一个很短的时间来作出响应，防止地震造成重大破坏。在剧烈地面震动发生前的一刻，住宅和商业建筑将能够关闭电力系统和天然气管道。使用受保护区域周围多个位置部署的地震传感器网络，将有助于增加允许的反应时间。另外，非地震源引起的误报也会降到最低。图10显示了用于保护特定区域或结构的地震预警系统的可能设置。

预警系统允许的响应时间与地震传感器距受保护结构的径向距离成比例，如式5所示。假设P波以3.5 mi/s或5.6 km/s的速度行进，而S波以2.0 mi/s或3.2 km/s的速度行进，则可以计算出，地震传感器与保护区的距离每增加7.51 km，响应时间就会增加一秒。此外，以较短的间距放置多个地震传感器将能为响应时间提供更高的时间分辨率。

式5展示了预警系统响应时间与地震传感器距保护区的径向距离之间的关系。

结构健康监控

通过监测建筑物对受迫振动测试的响应并建模，可以提高建筑物的地震安全性。在建筑物中安装地震传感器将有助于地震灾后评估、响应和恢复。在广泛损坏的情况下，广泛分布的地震传感器网络可以定位结构损坏区域，从而降低目视检查的风险和成本。一项关于强震动仪器的研究将此应用于20层钢制MRF建筑——Atwood大楼，使用部署在10个层级的32个基于加速度计的地震传感器来精确监测大楼的结构健康状况36。

结论

地震传感器网络在工业技术、地震研究和结构健康监测中应用广泛。应用需求已改变地震仪的传感器和系统需求，使其更青睐远程系统和较低运行成本。现代低成本地震动检测技术的测量能力已经能够与传统仪器相媲美。采用ADI公司的各种产品，可以实现一种满足不同地震检测应用的检测设备。

图10.使用地震传感器网络的地震预警系统，传感器部署在相距6英里至12英里的多个位置。图片由Erin Burkett (USGS)和(Orange County Register)制作。由美国地质调查局ShakeAlert项目提供³⁵。