在地震的最初時刻感知、分析和行動

地震和地震活動一直是一個熱點問題。土耳其、臺灣和印度的地震等災(zāi)難一次又一次地激發(fā)了人們的注意力。很明顯，地震的威力不是我們目前準(zhǔn)備處理的。大部分問題在于，破壞性的地震波似乎在沒有警告的情況下突然出現(xiàn)。然而，事實可能并非如此。如果分析得當(dāng)，地震實際上可以發(fā)出地震初期發(fā)生的警告，即使只是在地面開始震動之前的片刻。一個關(guān)鍵目標(biāo)是及時快速識別地震破壞性波的前兆，以啟動警報并關(guān)閉脆弱的設(shè)施。

在可行的情況下，早期發(fā)現(xiàn)可能非常有價值;例如，考慮17年1999月45日星期二在土耳其發(fā)生的地震報告的毀滅性破壞和損失。里氏7.4級的7秒地震震中位于伊斯坦布爾以東約11英里（56公里）的工業(yè)城市伊茲米特東南約90英里（200公里）處。地震在大片地區(qū)感受到 - 遠(yuǎn)至安卡拉東部，距離約320英里（30公里）。非官方估計死亡人數(shù)在000，40至000，<>之間。

盡管商業(yè)和住宅建筑的倒塌造成了大部分傷亡，但由于隨后發(fā)生的火災(zāi)，在科爾菲斯的大型圖普拉斯煉油廠發(fā)生了一場廣為人知的壯觀的坦克爆炸，造成了重大傷亡。其中一個油庫的火災(zāi)通過管道和分配系統(tǒng)迅速蔓延到其他油庫，并失控數(shù)天，促使在三英里半徑內(nèi)撤離。如果切斷控制輸送高度易燃材料的管道和分配系統(tǒng)的閥門，圖普拉斯煉油廠的一些生命和財產(chǎn)損失本來是可以避免的。在這樣的系統(tǒng)中，對最早的警告做出反應(yīng)可能會讓管道和分配系統(tǒng)上的閥門關(guān)閉，并發(fā)出警報。

在許多地震多發(fā)地區(qū)，安全規(guī)范，即使是家庭，也需要對加速度敏感的截止閥。雖然無疑非常有用，但它們僅在表面波到達(dá)時響應(yīng)，然后（在許多情況下）僅響應(yīng)單個平面中的振動。此外，它們可能會對大型車輛引起的振動和其他非地震沖擊發(fā)出誤報，需要浪費的重置程序。

如何分析地震以提前預(yù)警？

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，能量向四面八方輻射。能量以三種類型的地震波的形式在地球上傳播，稱為初級波、次級波和表面波。

初級波（或P波）的能量在平行于地震波傳播方向的平面（x軸和y軸）中作為一系列來回振動穿過地球。波穿過地球會導(dǎo)致其路徑中粒子的推動（壓縮）和拉動（膨脹），并且可以穿過固體或液體。P波是三種地震波中最快的。圖1顯示了P波穿過地球的通道。

圖1.P波穿過地殼。

二次波（或S波，見圖2）也稱為橫波可以穿過固體，但與P波不同，不能穿過液體。S波的能量以垂直于地球表面的一系列上下振動的形式穿過地球。它的通過導(dǎo)致粒子向南北和東西向各個方向振動。它的速度介于P波和表面波之間。

圖2.S波穿過地殼。

表面波是三種地震波中最慢的，也是迄今為止最具破壞性的。表面波以兩種類型的波的形式沿著地球表面?zhèn)鞑ィ喝鹄ň哂蓄愃朴?strong>S波的水平剪切運動，而愛波在垂直平面上具有類似于水波的滾動運動。圖3顯示了瑞利波和愛波在地球上的通過。

圖 3a.瑞利波穿過地殼。

圖 3b.愛的通道在地殼中波瀾。

P波的傳播速度通常比S波快1.68倍，比表面波快2到3倍，表面波通常以約3.7公里/秒的速度傳播。因此，每行駛8公里，P波和S波之間通常有一秒鐘的間隔。S波的傳播速度比表面波快約4公里/秒，因此距離震中每4公里通常會在P-S復(fù)合體和表面波到達(dá)之間增加一秒的延遲。

各種類型的地震波都遵循這種模式。在距震中給定的距離處，首先是P波到達(dá)，然后是S波，兩者都具有很小的能量，因此它們沒有威脅。最后，表面波帶著它們所有的破壞性能量到達(dá)（圖4）。我們注意到的主要是表面波作為地震。這種知識，即在任何表面或破壞性地震波之前都有明顯的體波，可以用來幫助預(yù)測破壞性表面波的到達(dá)時間。

圖4.距震中給定距離處的到達(dá)時間比較。計算基于表面波和體波速度的短距離近似值。

例如，在7英里（11公里）的距離內(nèi)，將近3秒的時間可以感知和識別P-S復(fù)合體，并啟動警報和閥門關(guān)閉。快速響應(yīng)的低成本傳感器和數(shù)字信號處理器可以快速做出決定，并允許幾乎100%的時間用于機械操作。

如圖5所示，檢測系統(tǒng)的元件包括地球運動的三維傳感，過濾，分析和警報的驅(qū)動，閥門關(guān)閉等。

圖5.檢測系統(tǒng)功能示意圖。

最簡單的方法如流程圖所示（圖 6）。在持續(xù)監(jiān)測 X、Y 和 Z 加速度計輸出時，會識別出異常大的加速度擾動，并將其標(biāo)記為可能的 P（壓縮）波。系統(tǒng)待命，等待將隨后的橫向擾動識別為S波。如果在對應(yīng)于（例如）500公里的P波行程的時間內(nèi)沒有發(fā)生，系統(tǒng)就會將其視為誤報（或遙遠(yuǎn)的現(xiàn)象）。另一方面，如果確實出現(xiàn)橫向擾動，則檢測系統(tǒng)會發(fā)出警報，其中包括表面波ETA（估計到達(dá)時間），并可能在發(fā)出警報之前尋求當(dāng)?shù)仡愃葡到y(tǒng)的確認(rèn)。如果它們一直接觸，這一切都可能在驗證S波存在后的不到幾毫秒內(nèi)發(fā)生。

圖6.檢測驗證流程圖。

應(yīng)用信號處理來解決這個問題

在解決這個問題時，必須及時準(zhǔn)確地測量所有三個軸（X、Y 和 Z）中的運動。加速度計將是能夠感知這種地震運動的設(shè)備的完美示例。ADI公司的快速響應(yīng)ADXL202高靈敏度、低成本雙軸加速度計系列就是一個例子。然后，需要連續(xù)處理加速度計陣列產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，以便消除隨機噪聲，并使用能量檢測算法將任何接收信號與地震特征進(jìn)行比較，以識別和預(yù)測地震到達(dá)傳感點（和其他地方）的時間 - 以及表面波的可能能量水平。用于此類處理的器件的一個示例是DSP，例如低成本、高性能浮點ADSP-21161N。它提供 32 位精度、片上存儲器和許多其他高級架構(gòu)特性，使其適用于濾波和分析以及決策制定。

進(jìn)行此類檢測的主要優(yōu)勢

這種類型的檢測在高風(fēng)險地震地區(qū)可能非常有用。利用地震到達(dá)時間的差異可以提供幾秒鐘的提前通知，即破壞性波將很快出現(xiàn)。這段時間可用于許多事情，例如阻止危險或易燃廢物流經(jīng)管道以及停止危險或易燃材料的生產(chǎn)線。這種類型的檢測還可以利用其特征性的多波系統(tǒng)提供相當(dāng)可靠的地震識別。正是由于知道地震波以三人為一組傳播，檢測系統(tǒng)可以過濾掉外來噪音，例如大型卡車、巖石爆破等可能產(chǎn)生的噪音。

依賴這種檢測的缺點

如果地震的震中離傳感設(shè)備太近，這種方法（以及大多數(shù)其他方法）將是無效的。機械設(shè)備通常沒有足夠的時間做出反應(yīng)，即使整個分析過程只需要幾毫秒或更短的時間。由于地震波之間的時間差是由于它們相對于彼此的傳播速度，因此需要與震中保持一定最小距離（見圖4）才能建立合理的置信度。該最小距離將取決于應(yīng)用程序。例如，在保護(hù)天然氣或石油管線時，必須考慮閥門密封管道的速度。

結(jié)論

可以合理地認(rèn)為，可以使用久經(jīng)考驗的高性能數(shù)字信號處理以及現(xiàn)在用于數(shù)百萬輛汽車安全氣囊碰撞檢測的各種運動傳感器來設(shè)計低成本地震檢測系統(tǒng)。使用ADI公司的DSP和加速度計的實驗系統(tǒng)示例可在SHARC國際DSP會議2000年論文集中看到。地震探測系統(tǒng)提供了在破壞性表面地震波到來之前提前通知幾個關(guān)鍵時刻的可能性。也許如果這些想法為可以進(jìn)行廣泛測試并大量生產(chǎn)的有用設(shè)備的設(shè)計播下種子，地震災(zāi)害的某些方面就可以得到控制，從而挽救人類的工作和生命。

審核編輯：郭婷