地震信号检测网络的基础知识（六）

2020.9.29

王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

分辨率和采样速率

在非常低的频率下，地震引起的地震动幅度可能非常小。用于地震仪器的数据记录仪能够以高分辨率记录各种采样速率的信号。宽带地震仪至少需要20位数据分辨率，采样速率为最低0．1 SPS（样本／秒）至最高200 SPS。短周期速度传感器和A类加速度计至少需要22位数据分辨率，采样速率为1 SPS至200 SPS。B类加速度计对数据分辨率的要求较低，至少16位即可。22

采样速率规格考虑了仪器及其内部数据存储。但是，高级地震仪配备了更多的存储空间，并且可以访问大型网络数据空间（例如云数据服务），因此可以支持超过额定规格的采样速率，这样便可开展更准确的数据分析和地震研究。

时间和位置信息

地震信号仅与特定的测量位置和时间有关。每台地震仪器的数据都有时间戳和已知全球位置，这是标准。每台地震仪器的每次记录都必须能够附加上其位置，要么通过手动用户输入，要么通过全球定位系统（GPS）设备或服务。现代地震仪还有内置实时时钟，或者可以通过在线网络时间协议（NTP）服务器等与精确参考时间同步。

输出数据格式

全球地震仪器主要使用两种数据格式：SEG－Y和SEED。SEG－Y格式是由勘探地球物理学家协会（SEG）开发的一种开放标准，用于处理三维地震信号之类的地球物理数据23。每个记录都包括时间戳、采样间隔和实际测量的坐标位置。格式规范和修订的详细信息可以在该组织的网站上查看。还应注意的是，有多种使用SEG－Y格式的地震分析开源软件，但大多数软件并未严格遵循规范。

地震数据交换标准（SEED）格式旨在简化机构之间和仪器之间交换未处理的地震数据并确保准确性24。虽然它主要用于地震记录存档，但有不同版本的SEED（例如miniSEED和无数据SEED）用于数据分析和处理。miniSEED仅包含波形数据，而无数据SEED包含有关地震仪器和测站的信息。

ADI公司系统设计

为了快速部署和实现地震网络，特别是针对城市和结构监测站，必须改变传统地震仪的设计。远程仪器必须符合当前仪器指南，以使现代地震信号测量符合既有数据标准并与之相关联。但是，方案的成本和规模应大大缩小。将小型地震检波器和MEMS加速度计用作地震动传感器，再加上高性能ADC和数字信号处理器（DSP），是一种合理的解决方案。5

模数转换器（ADC）考虑

DAS的数据采集单元（DAU）的主要设计考虑因素是模数转换器（ADC）。传统上，这是由数字现场系统（DFS）来执行的，该系统用作线性逐次逼近寄存器（SAR）型ADC和瞬时浮点（IFP）放大器。图8所示为传统DFS的框图。

前置放大器（PA）、低截止（LC）、高通滤波器、陷波滤波器（NF）、抗混叠（AA）高通滤波器和IFP放大器的分立实施会增加系统噪声和功耗。多路复用器的使用会增加开关、串扰和谐波失真。最重要的是，SAR ADC引起的量化误差会限制系统的动态范围和分辨率25。因此，最好使用其他架构和其他转换器来设计DAU。

Sigma－Delta （∑－Δ）型转换器

Σ－Δ型转换器利用信号中的变化并将其添加到原始信号中。这样可以减少SAR ADC固有的量化误差，并能实现更高的分辨率和动态范围。有了现代Σ－Δ型ADC，便不再需要以分立方式实现信号调理滤波器。这些ADC具有丰富且可配置的数字滤波器，它们可以执行与传统信号链相同的功能。这就有效降低了系统噪声和设计复杂性。此外，高端精密Σ－Δ型ADC能够以至少24位分辨率同时检测多个通道。

使用ADI解决方案的现代DAS设计

图9给出了一种低成本地震传感器节点实施方案的一般框图，这种节点可灵活适应不同的应用。