地震信号检测网络的基础知识（四）

根据地震检波器的机械规格可以创建等效电气模型。图4显示了使用SM－6 4．5 Hz地震检波器的机械参数的电气模型。17

图4．使用产品数据表中的机械参数得出的SM－6 4．5 Hz地震检波器的等效电气模型17

为了扩展带宽以覆盖适用于地震检测的较低频率，可以使用周期扩展器。低频响应扩展的三种最常见方法是逆滤波器、正反馈和负反馈。18

逆滤波器

在低于谐振频率的频率上，逆滤波器会补偿地震检波器的滚降。通过级联谐振频率的反相高通滤波器和截止频率为所需降低值的低通滤波器，可以构建逆滤波器。图5显示了逆滤波器的响应以及应用时得到的转换函数。此方法有很多缺点，使得总体结果的信噪比（SNR）较低。粉红噪声会被逆滤波器放大，而且其低频热稳定性很差。

图5．逆滤波器转换函数的频率响应及其对仿真4．5 Hz地震检波器频率响应的影响

正反馈

正反馈是将外部电流馈入地震检波器线圈来实现的，电流会产生一个力作用在悬吊质量块上。此外部电流信号是通过正反馈滤波器（例如积分滤波器）从地震检波器的输出信号中导出的，它会放大低频悬吊质量块的运动。在实际情况中，正反馈滤波器的设计很难保持稳定。

负反馈

与正反馈相反，负反馈会减弱内部悬吊质量块的运动。一种方法是通过降低阻尼电阻来使流过地震检波器线圈的电流过阻尼。但是，这会受到线圈电阻的物理限制。为将阻尼电阻减小到显著低于线圈电阻的值，应添加一个负电阻。负电阻可以通过负阻抗转换器（NIC）等有源器件来实现。这可以通过使用运算放大器（运放）来实现，如图6所示。可以添加带通滤波器和高增益滤波器来对频率响应进行整形并使之稳定。

图6．使用运算放大器的负阻抗转换器的基本架构

MEMS加速度计

MEMS加速度计是采用单个IC器件封装的运动传感器。典型结构是使用一对电容和一个微小的硅质量块，中间有金属板19。非常薄的硅区域将质量块悬吊在中间。质量块位置的变化会导致器件电容发生变化，进而转换为与悬吊质量块的加速度成比例的电压信号。MEMS器件需要电源才能工作，某些MEMS加速度计内置数字化仪，可消除不必要的噪声，而且无需匹配传感器和记录器。如图6所示，MEMS加速度计的频率响应就像一个截止频率为谐振频率的低通滤波器。

图7．MEMS加速度计（ADXL354）在X轴上的频率响应20

由于失调漂移，MEMS加速度计在谐振频率以下的较高频率时表现更好21。相反，地震检波器由于其机械结构，在较低频率（但仍高于谐振频率）时表现更好。可以实现一个小型低成本的地震仪，以同时利用地震检波器和MEMS加速度计来获得更高的器件带宽。当与适当的传感器转换函数进行卷积运算时，地震检波器和MEMS加速度计的传感器输出可以转换为不同的地动参数。论文“地震检测：使用实验室和现场数据比较地震检波器与加速度计”，基于每种传感器的常见转换函数，讨论了针对相同地震动位移Ricker子波的地震检波器和MEMS加速度计传感器输出21。