地震信号检测网络的基础知识（五）

地震传感器仪器指南

为了提供可重复性和一致性，并支持采用地震仪阵列或地震传感器网络进行地震信号分析，需要对所用的仪器制定一套标准和规范。USGS已为其要部署在国家先进地震系统（ANSS）中的仪器设定了标准22。本部分根据USGS提到的经验和技术趋势，讨论广泛应用实现期望器件性能所需的不同规格。

数据采集系统（DAS）标准

USGS将现代地震仪归类为数据采集系统。与传统地震仪相比，标准DAS包括地震传感器、数据采集单元以及外设和通信硬件。根据设备性能可将其分为A、B、C、D四类仪器。A类仪器接近最先进的地震仪，而D类仪器可与传统地震仪相媲美。有关规格的详细讨论，请参见《仪器指南》22。

仪器带宽

对于测量速度和加速度的地震传感器，其额定带宽和频率响应是不同的。仪器等级越高，其带宽越宽，频率响应越好。宽带传感器全都是A类仪器，带宽至少为0．01 Hz至50 Hz。在0．033 Hz至50 Hz的频率范围内，其对速度的频率响应是平坦的。22

短周期A类传感器具有0．2 Hz至50 Hz的低带宽。只有在1 Hz至35 Hz的频率范围内，其对速度的频率响应才是平坦的22。

A类加速度计在0．02 Hz至50 Hz范围内具有平坦的频率响应，而B类加速度计仅在0．1 Hz至35 Hz范围内具有平坦的频率响应。22

强震动、弱震动和宽带传感器

DAS使用的传感器按其捕获的地震信号的幅度和频率范围进行分类。强震动传感器可测量大幅度地震信号，通常是加速度计。强震动加速度计可测量高达3．5 g的加速度，而且系统噪声水平低于1μg／√Hz22。

弱震动传感器可测量幅度非常低的地震信号，噪声水平低于1 ng／√Hz22。然而，宽带传感器已经能够测量低幅度的地震信号，因此很少使用弱震动传感器。

传感器动态范围和削波电平

宽带速度传感器的灵敏度为1500 Vs／m。当最大输出电压为±20 V时，输出削波电平或最大可测速度为±0．013 m／s。22

在较小频率范围内，短周期速度传感器比宽带传感器更灵敏。对于1 Hz信号频率，削波电平通常为±0．01 m／s。22

A类加速度计的削波电平大于±3．5 g，而B类加速度计的削波电平为±2．5 g 22。

传感器动态范围是指最大可测量地震信号的均方根值与均方根自噪声之比。但是，传感器的均方根自噪声会随其带宽而变化。表2列出了不同地震传感器在不同频率范围下的动态范围。

表2．不同类型传感器的动态范围：宽带传感器22

表3．不同类型传感器的动态范围：短周期传感器22

表4．不同类型传感器的动态范围：加速度计22

传感器通道和方向

地震波产生的线性地震动分量于所有三个笛卡尔轴中均存在。三轴地震传感器的传统标准方向是朝东、朝北和朝上。但是，对于水平和垂直传感器，传统（甚至某些现代）地震仪的结构是不同的，因为垂直传感器必须考虑重力作用。同质三轴排列支持使用结构类似的传感器来确定笛卡尔坐标轴上的线性地震动分量3。传感器位于一个以仪器为中心的圆的三个均等间隔点上，并向其倾斜54．7度（相对于垂直方向）。使用式4所示的方程可将修改的坐标轴转换回笛卡尔坐标轴。

式4展示了将同质三轴排列转换为笛卡尔坐标系的转换矩阵。

然而，大部分现代传感器已被封装和设计成支持三轴测量。这些传感器有非常小的固有跨轴耦合效应。仪器指南要求跨轴耦合必须小于输出信号的–70dB22。