逆濾波器

在低于諧振頻率的頻率上，逆濾波器會補償?shù)卣饳z波器的滾降。通過級聯(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)用時得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)。此方法有很多缺點，使得總體結(jié)果的信噪比(SNR)較低。粉紅噪聲會被逆濾波器放大，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實現(xiàn)的，電流會產(chǎn)生一個力作用在懸吊質(zhì)量塊上。此外部電流信號是通過正反饋濾波器（例如積分濾波器）從地震檢波器的輸出信號中導(dǎo)出的，它會放大低頻懸吊質(zhì)量塊的運動。在實際情況中，正反饋濾波器的設(shè)計很難保持穩(wěn)定。

負反饋

與正反饋相反，負反饋會減弱內(nèi)部懸吊質(zhì)量塊的運動。一種方法是通過降低阻尼電阻來使流過地震檢波器線圈的電流過阻尼。但是，這會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)添加一個負電阻。負電阻可以通過負阻抗轉(zhuǎn)換器(NIC)等有源器件來實現(xiàn)。這可以通過使用運算放大器（運放）來實現(xiàn)，如圖6所示?？梢蕴砑訋V波器和高增益濾波器來對頻率響應(yīng)進行整形并使之穩(wěn)定。

圖6.使用運算放大器的負阻抗轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)

MEMS加速度計

MEMS加速度計是采用單個IC器件封裝的運動傳感器。典型結(jié)構(gòu)是使用一對電容和一個微小的硅質(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)量塊位置的變化會導(dǎo)致器件電容發(fā)生變化，進而轉(zhuǎn)換為與懸吊質(zhì)量塊的加速度成比例的電壓信號。MEMS器件需要電源才能工作，某些MEMS加速度計內(nèi)置數(shù)字化儀，可消除不必要的噪聲，而且無需匹配傳感器和記錄器。如圖6所示，MEMS加速度計的頻率響應(yīng)就像一個截止頻率為諧振頻率的低通濾波器。

圖7.MEMS加速度計(ADXL354)在X軸上的頻率響應(yīng)20

由于失調(diào)漂移，MEMS加速度計在諧振頻率以下的較高頻率時表現(xiàn)更好²¹。相反，地震檢波器由于其機械結(jié)構(gòu)，在較低頻率（但仍高于諧振頻率）時表現(xiàn)更好。可以實現(xiàn)一個小型低成本的地震儀，以同時利用地震檢波器和MEMS加速度計來獲得更高的器件帶寬。當與適當?shù)膫鞲衅鬓D(zhuǎn)換函數(shù)進行卷積運算時，地震檢波器和MEMS加速度計的傳感器輸出可以轉(zhuǎn)換為不同的地動參數(shù)。論文“地震檢測：使用實驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)比較地震檢波器與加速度計”，基于每種傳感器的常見轉(zhuǎn)換函數(shù)，討論了針對相同地震動位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計傳感器輸出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)進行地震信號分析，需要對所用的儀器制定一套標準和規(guī)范。USGS已為其要部署在國家先進地震系統(tǒng)(ANSS)中的儀器設(shè)定了標準22。本部分根據(jù)USGS提到的經(jīng)驗和技術(shù)趨勢，討論廣泛應(yīng)用實現(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)標準

USGS將現(xiàn)代地震儀歸類為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與傳統(tǒng)地震儀相比，標準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四類儀器。A類儀器接近最先進的地震儀，而D類儀器可與傳統(tǒng)地震儀相媲美。有關(guān)規(guī)格的詳細討論，請參見《儀器指南》22。

儀器帶寬

對于測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。儀器等級越高，其帶寬越寬，頻率響應(yīng)越好。寬帶傳感器全都是 A 類儀器，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)，其對速度的頻率響應(yīng)是平坦的。²²

短周期 A 類傳感器具有 0.2 Hz — 50 Hz 的低帶寬。只有在1 Hz至35 Hz的頻率范圍內(nèi)，其對速度的頻率響應(yīng)才是平坦的²²。

A 類加速度計在 0.02 Hz — 50 Hz 范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)，而B類加速度計僅在0.1 Hz至35 Hz范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。²²

強震動、弱震動和寬帶傳感器

DAS使用的傳感器按其捕獲的地震信號的幅度和頻率范圍進行分類。強震動傳感器可測量大幅度地震信號，通常是加速度計。強震動加速度計可測量高達3.5 g的加速度，而且系統(tǒng)噪聲水平低于1μg/√Hz22。

弱震動傳感器可測量幅度非常低的地震信號，噪聲水平低于1 ng/√Hz²²。然而，寬帶傳感器已經(jīng)能夠測量低幅度的地震信號，因此很少使用弱震動傳感器。

傳感器動態(tài)范圍和削波電平

寬帶速度傳感器的靈敏度為1500 Vs/m。當最大輸出電壓為±20 V時，輸出削波電平或最大可測速度為±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。對于1 Hz信號頻率，削波電平通常為±0.01 m/s。²²

A類加速度計的削波電平大于±3.5 g，而B類加速度計的削波電平為±2.5 g ²²。

傳感器動態(tài)范圍是指最大可測量地震信號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態(tài)范圍。

表2.不同類型傳感器的動態(tài)范圍：寬帶傳感器²²

表3.不同類型傳感器的動態(tài)范圍：短周期傳感器²²

表4.不同類型傳感器的動態(tài)范圍：加速度計²²

傳感器通道和方向

地震波產(chǎn)生的線性地震動分量于所有三個笛卡爾軸中均存在。三軸地震傳感器的傳統(tǒng)標準方向是朝東、朝北和朝上。但是，對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，因為垂直傳感器必須考慮重力作用。同質(zhì)三軸排列支持使用結(jié)構(gòu)類似的傳感器來確定笛卡爾坐標軸上的線性地震動分量³。傳感器位于一個以儀器為中心的圓的三個均等間隔點上，并向其傾斜54.7度（相對于垂直方向）。使用式4所示的方程可將修改的坐標軸轉(zhuǎn)換回笛卡爾坐標軸。

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

然而，大部分現(xiàn)代傳感器已被封裝和設(shè)計成支持三軸測量。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。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類加速度計至少需要22位數(shù)據(jù)分辨率，采樣速率為1 SPS至200 SPS。B類加速度計對數(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。但是，高級地震儀配備了更多的存儲空間，并且可以訪問大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)空間（例如云數(shù)據(jù)服務(wù)），因此可以支持超過額定規(guī)格的采樣速率，這樣便可開展更準確的數(shù)據(jù)分析和地震研究。

時間和位置信息

地震信號僅與特定的測量位置和時間有關(guān)。每臺地震儀器的數(shù)據(jù)都有時間戳和已知全球位置，這是標準。每臺地震儀器的每次記錄都必須能夠附加上其位置，要么通過手動用戶輸入，要么通過全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備或服務(wù)?，F(xiàn)代地震儀還有內(nèi)置實時時鐘，或者可以通過在線網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)服務(wù)器等與精確參考時間同步。

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(SEG)開發(fā)的一種開放標準，用于處理三維地震信號之類的地球物理數(shù)據(jù)²³。每個記錄都包括時間戳、采樣間隔和實際測量的坐標位置。格式規(guī)范和修訂的詳細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 格式的地震分析開源軟件，但大多數(shù)軟件并未嚴格遵循規(guī)范。

地震數(shù)據(jù)交換標準(SEED)格式旨在簡化機構(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)，而無數(shù)據(jù)SEED包含有關(guān)地震儀器和測站的信息。

ADI公司系統(tǒng)設(shè)計

為了快速部署和實現(xiàn)地震網(wǎng)絡(luò)，特別是針對城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測站，必須改變傳統(tǒng)地震儀的設(shè)計。遠程儀器必須符合當前儀器指南，以使現(xiàn)代地震信號測量符合既有數(shù)據(jù)標準并與之相關(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加速度計用作地震動傳感器，再加上高性能ADC和數(shù)字信號處理器(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)場系統(tǒng)(DFS)來執(zhí)行的，該系統(tǒng)用作線性逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和瞬時浮點(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放大器的分立實施會增加系統(tǒng)噪聲和功耗。多路復(fù)用器的使用會增加開關(guān)、串擾和諧波失真。最重要的是，SAR ADC引起的量化誤差會限制系統(tǒng)的動態(tài)范圍和分辨率²⁵。因此，最好使用其他架構(gòu)和其他轉(zhuǎn)換器來設(shè)計DAU。

Sigma-Delta (∑-Δ)型轉(zhuǎn)換器

Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器利用信號中的變化并將其添加到原始信號中。這樣可以減少SAR ADC固有的量化誤差，并能實現(xiàn)更高的分辨率和動態(tài)范圍。有了現(xiàn)代Σ-Δ型ADC，便不再需要以分立方式實現(xiàn)信號調(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)信號鏈相同的功能。這就有效降低了系統(tǒng)噪聲和設(shè)計復(fù)雜性。此外，高端精密Σ-Δ型ADC能夠以至少24位分辨率同時檢測多個通道。