逆濾波器

在低于諧振頻率的頻率上，逆濾波器會(huì)補(bǔ)償?shù)卣饳z波器的滾降。通過(guò)級(jí)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(gòu)建逆濾波器。圖5顯示了逆濾波器的響應(yīng)以及應(yīng)用時(shí)得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)。此方法有很多缺點(diǎn)，使得總體結(jié)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(wěn)定性很差。

圖5.逆濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)的頻率響應(yīng)及其對(duì)仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應(yīng)的影響

正反饋

正反饋是將外部電流饋入地震檢波器線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)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(hào)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(hào)中導(dǎo)出的，它會(huì)放大低頻懸吊質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際情況中，正反饋濾波器的設(shè)計(jì)很難保持穩(wěn)定。

負(fù)反饋

與正反饋相反，負(fù)反饋會(huì)減弱內(nèi)部懸吊質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。一種方法是通過(guò)降低阻尼電阻來(lái)使流過(guò)地震檢波器線圈的電流過(guò)阻尼。但是，這會(huì)受到線圈電阻的物理限制。為將阻尼電阻減小到顯著低于線圈電阻的值，應(yīng)添加一個(gè)負(fù)電阻。負(fù)電阻可以通過(guò)負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器(NIC)等有源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這可以通過(guò)使用運(yùn)算放大器（運(yùn)放）來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示?？梢蕴砑訋V波器和高增益濾波器來(lái)對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行整形并使之穩(wěn)定。

圖6.使用運(yùn)算放大器的負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)

MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是采用單個(gè)IC器件封裝的運(yùn)動(dòng)傳感器。典型結(jié)構(gòu)是使用一對(duì)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(qū)域?qū)①|(zhì)量塊懸吊在中間。質(zhì)量塊位置的變化會(huì)導(dǎo)致器件電容發(fā)生變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為與懸吊質(zhì)量塊的加速度成比例的電壓信號(hào)。MEMS器件需要電源才能工作，某些MEMS加速度計(jì)內(nèi)置數(shù)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(jì)的頻率響應(yīng)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(jì)(ADXL354)在X軸上的頻率響應(yīng)20

由于失調(diào)漂移，MEMS加速度計(jì)在諧振頻率以下的較高頻率時(shí)表現(xiàn)更好²¹。相反，地震檢波器由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)，在較低頻率（但仍高于諧振頻率）時(shí)表現(xiàn)更好?？梢詫?shí)現(xiàn)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(jì)來(lái)獲得更高的器件帶寬。當(dāng)與適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬓D(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)，地震檢波器和MEMS加速度計(jì)的傳感器輸出可以轉(zhuǎn)換為不同的地動(dòng)參數(shù)。論文“地震檢測(cè)：使用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比較地震檢波器與加速度計(jì)”，基于每種傳感器的常見(jiàn)轉(zhuǎn)換函數(shù)，討論了針對(duì)相同地震動(dòng)位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計(jì)傳感器輸出²¹。

地震傳感器儀器指南

為了提供可重復(fù)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(hào)分析，需要對(duì)所用的儀器制定一套標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。USGS已為其要部署在國(guó)家先進(jìn)地震系統(tǒng)(ANSS)中的儀器設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)22。本部分根據(jù)USGS提到的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)趨勢(shì)，討論廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)期望器件性能所需的不同規(guī)格。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)標(biāo)準(zhǔn)

USGS將現(xiàn)代地震儀歸類(lèi)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與傳統(tǒng)地震儀相比，標(biāo)準(zhǔn)DAS包括地震傳感器、數(shù)據(jù)采集單元以及外設(shè)和通信硬件。根據(jù)設(shè)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(tǒng)地震儀相媲美。有關(guān)規(guī)格的詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn)《儀器指南》22。

儀器帶寬

對(duì)于測(cè)量速度和加速度的地震傳感器，其額定帶寬和頻率響應(yīng)是不同的。儀器等級(jí)越高，其帶寬越寬，頻率響應(yīng)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(nèi)，其對(duì)速度的頻率響應(yīng)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(nèi)，其對(duì)速度的頻率響應(yīng)才是平坦的²²。

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

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

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

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

A類(lèi)加速度計(jì)的削波電平大于±3.5 g，而B(niǎo)類(lèi)加速度計(jì)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(cè)量地震信號(hào)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(jì)²²

傳感器通道和方向

地震波產(chǎn)生的線性地震動(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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方向是朝東、朝北和朝上。但是，對(duì)于水平和垂直傳感器，傳統(tǒng)（甚至某些現(xiàn)代）地震儀的結(jié)構(gòu)是不同的，因?yàn)榇怪眰鞲衅鞅仨毧紤]重力作用。同質(zhì)三軸排列支持使用結(jié)構(gòu)類(lèi)似的傳感器來(lái)確定笛卡爾坐標(biāo)軸上的線性地震動(dòng)分量³。傳感器位于一個(gè)以儀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(duì)于垂直方向）。使用式4所示的方程可將修改的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換回笛卡爾坐標(biāo)軸。

式4展示了將同質(zhì)三軸排列轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

然而，大部分現(xiàn)代傳感器已被封裝和設(shè)計(jì)成支持三軸測(cè)量。這些傳感器有非常小的固有跨軸耦合效應(yīng)。儀器指南要求跨軸耦合必須小于輸出信號(hào)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(shù)據(jù)記錄儀能夠以高分辨率記錄各種采樣速率的信號(hào)。寬帶地震儀至少需要20位數(shù)據(jù)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(jì)至少需要22位數(shù)據(jù)分辨率，采樣速率為1 SPS至200 SPS。B類(lèi)加速度計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)分辨率的要求較低，至少16位即可。²²

采樣速率規(guī)格考慮了儀器及其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是，高級(jí)地震儀配備了更多的存儲(chǔ)空間，并且可以訪問(wèn)大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)空間（例如云數(shù)據(jù)服務(wù)），因此可以支持超過(guò)額定規(guī)格的采樣速率，這樣便可開(kāi)展更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和地震研究。

時(shí)間和位置信息

地震信號(hào)僅與特定的測(cè)量位置和時(shí)間有關(guān)。每臺(tái)地震儀器的數(shù)據(jù)都有時(shí)間戳和已知全球位置，這是標(biāo)準(zhǔn)。每臺(tái)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)用戶輸入，要么通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備或服務(wù)?，F(xiàn)代地震儀還有內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或者可以通過(guò)在線網(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(shù)據(jù)格式

全球地震儀器主要使用兩種數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，用于處理三維地震信號(hào)之類(lèi)的地球物理數(shù)據(jù)²³。每個(gè)記錄都包括時(shí)間戳、采樣間隔和實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)位置。格式規(guī)范和修訂的詳細(xì)信息可以在該組織的網(wǎng)站上查看。還應(yīng)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(shù)軟件并未嚴(yán)格遵循規(guī)范。

地震數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(SEED)格式旨在簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)之間和儀器之間交換未處理的地震數(shù)據(jù)并確保準(zhǔn)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(shù)據(jù)SEED）用于數(shù)據(jù)分析和處理。miniSEED僅包含波形數(shù)據(jù)，而無(wú)數(shù)據(jù)SEED包含有關(guān)地震儀器和測(cè)站的信息。

ADI公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了快速部署和實(shí)現(xiàn)地震網(wǎng)絡(luò)，特別是針對(duì)城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)站，必須改變傳統(tǒng)地震儀的設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程儀器必須符合當(dāng)前儀器指南，以使現(xiàn)代地震信號(hào)測(cè)量符合既有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并與之相關(guān)聯(lián)。但是，方案的成本和規(guī)模應(yīng)大大縮小。將小型地震檢波器和MEMS加速度計(jì)用作地震動(dòng)傳感器，再加上高性能ADC和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，是一種合理的解決方案。⁵

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)考慮

DAS的數(shù)據(jù)采集單元(DAU)的主要設(shè)計(jì)考慮因素是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。傳統(tǒng)上，這是由數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)(DFS)來(lái)執(zhí)行的，該系統(tǒng)用作線性逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和瞬時(shí)浮點(diǎn)(IFP)放大器。圖8所示為傳統(tǒng)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(tǒng)噪聲和功耗。多路復(fù)用器的使用會(huì)增加開(kāi)關(guān)、串?dāng)_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(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率²⁵。因此，最好使用其他架構(gòu)和其他轉(zhuǎn)換器來(lái)設(shè)計(jì)DAU。

Sigma-Delta (∑-Δ)型轉(zhuǎn)換器

Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器利用信號(hào)中的變化并將其添加到原始信號(hào)中。這樣可以減少SAR ADC固有的量化誤差，并能實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。有了現(xiàn)代Σ-Δ型ADC，便不再需要以分立方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理濾波器。這些ADC具有豐富且可配置的數(shù)字濾波器，它們可以執(zhí)行與傳統(tǒng)信號(hào)鏈相同的功能。這就有效降低了系統(tǒng)噪聲和設(shè)計(jì)復(fù)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(cè)多個(gè)通道。