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  • 發布時間:2020-09-29 11:53 原文鏈接: 地震信號檢測網絡的基礎知識(六)

    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。用于地震儀器的數據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位數據分辨率,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位數據分辨率,采樣速率為1 SPS至200 SPS。B類加速度計對數據分辨率的要求較低,至少16位即可。22

    采樣速率規格考慮了儀器及其內部數據存儲。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絡數據空間(例如云數據服務),因此可以支持超過額定規格的采樣速率,這樣便可開展更準確的數據分析和地震研究。

    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。每臺地震儀器的數據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(GPS)設備或服務。現代地震儀還有內置實時時鐘,或者可以通過在線網絡時間協議(NTP)服務器等與精確參考時間同步。

    輸出數據格式

    全球地震儀器主要使用兩種數據格式:SEG-Y和SEED。SEG-Y格式是由勘探地球物理學家協會(SEG)開發的一種開放標準,用于處理三維地震信號之類的地球物理數據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。格式規范和修訂的詳細信息可以在該組織的網站上查看。還應注意的是,有多種使用SEG-Y格式的地震分析開源軟件,但大多數軟件并未嚴格遵循規范。

    地震數據交換標準(SEED)格式旨在簡化機構之間和儀器之間交換未處理的地震數據并確保準確性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和無數據SEED)用于數據分析和處理。miniSEED僅包含波形數據,而無數據SEED包含有關地震儀器和測站的信息。

    ADI公司系統設計

    為了快速部署和實現地震網絡,特別是針對城市和結構監測站,必須改變傳統地震儀的設計。遠程儀器必須符合當前儀器指南,以使現代地震信號測量符合既有數據標準并與之相關聯。但是,方案的成本和規模應大大縮小。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和數字信號處理器(DSP),是一種合理的解決方案。5

    模數轉換器(ADC)考慮

    DAS的數據采集單元(DAU)的主要設計考慮因素是模數轉換器(ADC)。傳統上,這是由數字現場系統(DFS)來執行的,該系統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噪聲和功耗。多路復用器的使用會增加開關、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的動態范圍和分辨率25。因此,最好使用其他架構和其他轉換器來設計DAU。

    Sigma-Delta (∑-Δ)型轉換器

    Σ-Δ型轉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,并能實現更高的分辨率和動態范圍。有了現代Σ-Δ型ADC,便不再需要以分立方式實現信號調理濾波器。這些ADC具有豐富且可配置的數字濾波器,它們可以執行與傳統信號鏈相同的功能。這就有效降低了系統噪聲和設計復雜性。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。

    使用ADI解決方案的現代DAS設計

    圖9給出了一種低成本地震傳感器節點實施方案的一般框圖,這種節點可靈活適應不同的應用。

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    圖8.使用IFP放大器系統的傳統DFS的框圖

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    圖9.采用三個同質三軸排列的地震檢波器和一個三軸MEMS加速度計的低成本地震儀的一般框圖

    支持地震成像功能的ADI三軸加速度計解決方案有ADXL354和ADXL356。其數字輸出版本分別為ADXL355和ADXL357,集成了20位ADC,可以直接與處理器連接20。


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