采用ADI解决方案的地震信号检测网络系统设计

[color=#333333 !important]随着世界相互联系和相互依存的程度越来越高，中型和大型地震可能会造成重大的经济破坏和损失。发生在任何脆弱城市中心地区的大地震，都会对中心地区的国民经济及其企业提供服务和全球参与的能力产生连锁反应1。应认识到地震风险是一个全球性问题，提高地震监测能力以减轻这种风险是至关重要的责任。
[color=#333333 !important]　　改进地震监测的一个关键因素是地震传感器网络的实现，这需要广泛部署地震仪器并将其互连2。然而，安装大量传统地震仪器的成本和复杂性均很高3 。集成物联网技术可提供低成本解决方案，同时维持标准地震数据质量4。本文讨论地震和地动传感器的物理原理、遵循的现代仪器标准以及它们提取的特征。此外，针对不同地震传感器网络应用，我们开发了一个采用ADI解决方案的系统设计。

[color=#333333 !important]地震
[color=#333333 !important]　　地震是由构造板块的运动和碰撞引发的事件。碰撞产生的能量以地震波的形式在地球内部表面周围传播。这些波有多个方向，分为体波和面波。
[color=#333333 !important]　　体波有两种类型：纵波（P波）和横波（S波）。P波以一系列压缩波和稀疏波的形式沿传播方向行进。由于其传播的性质，P波呈球面发散。虽然其波能衰减在所有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破坏性最小的一类波。P波不仅可以通过表面传播，还可以通过水或流体传播。
[color=#333333 !important]　　S波也称为剪切波，紧随P波之后到达。其沿地球表面传播的速度约为P波的60%至70%。此类波垂直于传播方向和地球表面行进。S波的能量衰减较少，比P波更具破坏性。P波和S波统称为体波。
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[color=#333333 !important]　　图1.地震波的类型：（a） 纵波；（b） 横波；（c） 勒夫波；（d） 瑞利波5
[color=#333333 !important]　　面波比体波慢10%，但破坏力最大。值得注意的是，地震波的传播速度与其经过的土壤类型有很大关系6。面波由瑞利波和勒夫波组成。瑞利波是一种以纹波形式在地表附近传播的面波，它会引起顺行（沿传播方向）或逆行（与传播方向相反）旋转。由于其运动性质，它也被称为地滚波。勒夫波的行进方向与传播方向正交，但与地球表面平行。图1显示了不同类型的波及其对地球本体的影响。

[color=#333333 !important]震级、强度和频谱强度
[color=#333333 !important]　　地震震级和地震强度常常被相互混淆。二者有一定的相关性，但却是两个不同地震参数的量度。
[color=#333333 !important]　　地震强度
[color=#333333 !important]　　地震强度（简称强度）在很大程度上取决于测量位置的特性。它描述地震对特定区域的影响，在世界范围内普遍使用，是一种量化振动方式和破坏程度的传统方法。因此，地震强度没有一个真实的值。地震强度值遵循修正的Mercalli强度量表（1至12）或Rossi-Forel量表（1至10）。不过，修正的Mercalli强度（MMI）现已成为世界的主导标准。表1列出了美国地质调查局（USGS）提供的修正Mercalli量表中的强度值及其相应的影响描述。
[color=#333333 !important]　　表1.简易版修正Mercalli强度量表
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[color=#333333 !important]　　确定地震强度的方法有很多7。这些方法使用从以往地震中收集的数据，创建自己的地震动预测方程（GMPE）来预测强度值。推导出的方程式至少使用一个地震动参数或地震动参数的组合，即峰值地震动位移（PGD）、峰值地震动速度（PGV）和峰值地震动加速度（PGA）。早期方程主要基于PGA，有几种使用了PGV和PGD。虽然GMPE使用多个数据库中的数据来建立相关性，但不同模型得出的值仍然差异很大。例如，使用Wald的GMPE，10 cm/s2的PGA值得出的MMI值为3.2。而根据Hershberger的GMPE，10 cm/s2的PGA值对应的MMI值为4.43。请注意，大多数GMPE遵循幂律，MMI值每增加一级，PGA值需要指数式增加。式1给出了Wald和Hershberger创建的相关性方程。
[color=#333333 !important]　　式1显示了地震动预测方程：（a） Wald；（b）.Hershberger。8
[color=#333333 !important]　　MMI = 2.2log（PGAmax） + 1 （1）
[color=#333333 !important]　　MMI = 2.33log（PGA） + 1.5
[color=#333333 !important]　　日本气象厅（JMA）设计了一种地震强度量表，它可以根据强运动三轴加速度数据来计算9。每个轴的加速度时间信号都信息傅立叶变换。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）应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示。
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[color=#333333 !important]　　图2.计算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
[color=#333333 !important]　　对每个轴的滤波后频率信号进行傅立叶逆变换之后，计算所有三个轴的相应时域信号矢量和的大小。累计持续0.3秒或更长时间的最高加速度值被指定为a0。然后使用式2从a0 计算仪器地震强度，即利用持续时间至少为0.3秒的最高加速度求解JMA地震强度方程9。
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[color=#333333 !important]　　其中：
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[color=#333333 !important]地震频谱强度
[color=#333333 !important]　　地震强度衡量特定位置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破坏性能量的大小10。SI值利用式3所示方程根据速度响应谱来计算。高刚性结构的速度法向周期为1.5 s至2.5 s。SI值针对的是震动速度谱，因此能够轻松区分地震活动与地震或其他来源。所以，SI值可以用作地震对建筑物结构健康影响的标准。此外，与JMA地震强度相比，SI值涉及的计算较为简单，这使其更适合低功率应用。
[color=#333333 !important]　　式3给出了频谱强度方程，即震动速度响应谱对建筑物法向速度周期的积分11。
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[color=#333333 !important]　　其中：
[color=#333333 !important]　　SI = 频谱强度 （3）
[color=#333333 !important]　　Sv（T，h） = 频率范围h和周期T的震动速度谱