地震和地震活动一直是一个热点问题。土耳其、台湾和印度的地震等灾难一次又一次地激发了人们的注意力。很明显，我们目前还没有准备好应对地震的威力。很大程度上的问题是，破坏性的地震波似乎毫无征兆地突然出现。然而，事实可能并非如此。地震，如果分析得当，即使只是在地面开始震动之前的片刻，实际上也能发出地震发生的预警。一个关键的目标是迅速识别地震破坏性波的前兆，及时发出警报并关闭脆弱的设施。

在可行的情况下，早期发现可能非常有价值;例如，1999年8月17日星期二发生在土耳其的地震造成了毁灭性的破坏和损失。这场45秒的地震，里氏7.4级，震中位于伊兹米特东南约7英里(11公里)处，伊兹米特是一座工业城市，位于伊斯坦布尔以东约56英里(90公里)处。大部分地区都有震感，东面远至200英里(320公里)外的安卡拉。非官方估计死亡人数在3万至4万人之间。

虽然商业和住宅建筑的倒塌造成了大部分的伤亡，但发生在科尔菲斯的大型普拉斯炼油厂的一次广泛报道和壮观的坦克爆炸，由于随后发生的火灾，造成了重大的伤亡。其中一个油罐场的大火迅速通过管道和分配系统蔓延到其他油罐场，并在几天内失去控制，导致方圆三英里内的人员疏散。如果控制输送高度易燃材料的管道和分配系统的阀门被关闭，那么在普拉斯炼油厂的一些生命和财产损失是可以避免的。在这样一个系统中，如果有多一点时间来对最早的警报做出反应，可能会关闭管道和分配系统的阀门，并发出警报。

在许多地震多发地区，安全规范，甚至是家庭，都要求使用加速度敏感的关闭阀。虽然它们无疑是非常有用的，但它们只对表面波的到达作出反应，然后(在许多情况下)只对单个平面上的振动作出反应。此外，它们可能会对大型车辆引起的振动和其他非地震冲击发出假警报，需要浪费的重置程序。

如何对地震进行分析以发出预警?

地震发生时，能量向四面八方散发。这些能量以三种地震波的形式在地球内部和周围传播，分别是主波、次波和表面波。

主波的能量(或P在与地震波传播方向平行的平面(x轴和y轴)上，波以一系列来回振动的方式在地球中传播。波穿过地球时，在其路径上引起粒子的推(压缩)和拉(膨胀)，它可以穿过固体或液体。P波是三种地震波中速度最快的。图1显示了的通道P波浪穿过大地。

次波(或年代波，见图2)也称为横波可以穿过固体，但不像固体P波不能在液体中传播。S波的能量以垂直于地球表面的一系列上下振动的形式穿过地球。它的通过导致粒子在南北和东西各个方向上振动。它的速度介于P波和表面波。

表面波是三种地震波中最慢的，也是迄今为止最具破坏性的。表面波以两种波形式沿地球表面传播:瑞利波具有类似于地震波的水平剪切运动年代而爱情波在垂直平面上有滚动运动，就像水波一样。图3显示了瑞利波和洛夫波在地球上的传播。

P波的传播速度通常是太阳的1.68倍年代比表面波快2到3倍，表面波通常以3.7公里/秒的速度传播。因此，两者之间通常有一秒的间隔P和年代每行进8公里产生波浪。S波的传播速度比表面波快约4公里/秒，因此距离震中每4公里，P-S复合波和表面波到达之间的延迟通常会增加一秒。

各种类型的地震波都遵循这种模式。在离震中一定距离的地方，先是P波，然后是S波，这两种波的能量都很小，不会造成威胁。最后，表面波带着所有的破坏能量到达(图4)。我们注意到的地震主要是表面波。在任何地表地震波或破坏性地震波之前都有预示体波的知识，可以用来帮助预测破坏性地表地震波的到达时间。

例如，在7英里(11公里)的距离上，近3秒的时间可以感知和识别P-S复合物，并启动警报和关闭阀门。快速响应的低成本传感器和数字信号处理器可以提供快速决策，并允许几乎100%的机械操作时间。

如图5所示，检测系统的要素包括三维地球运动感知、滤波、分析、警报触发、阀门关闭等。

流程图中显示了最简单的方法(图6)。在连续监测X、Y和Z加速度计输出时，可以识别出异常大的加速度扰动，并标记为可能的P(压缩)波。该系统随时待命，等待将接下来的横向扰动识别为S波。如果在p波传播500公里的时间内没有发生，系统就会把它当作虚报(或遥远现象)而不予理会。另一方面，如果横向扰动确实出现，探测系统就会发出警报，其中包括一个表面波ETA(预计到达时间)，并可能在发出警报之前寻求当地类似系统的确认。如果他们经常接触，这些都可能在一个人出现后不到几毫秒内发生年代验证Wave。

应用信号处理技术解决了这一问题

为了解决这个问题，必须迅速准确地测量所有三个轴(x,Y和z)的运动。加速度计将是一个能够感知这种地震运动的设备的完美例子。一个例子可以是快速响应器件ADXL202高灵敏度和非常低成本的两轴加速度计系列。加速度计阵列产生的数据需要连续处理。这些数据需要经过过滤，以便去除随机噪声，并使用能量检测算法将接收到的信号与地震特征进行比较，以识别和预测地震在感测点(和其他地方)的到达时间，以及表面波的可能能量水平。用于这种处理的器件的一个例子是DSP，如低成本，高性能浮点ADSP-21161N。它提供32位精度、片上内存和许多其他先进的架构功能，使其适合过滤、分析和决策。

做这种检测的主要优点是

这种类型的探测在地震高风险地区可能非常有用。利用地震到达时间的差异，可以提前几秒钟发出破坏性波即将到来的通知。这段时间可以用来做很多事情，比如阻止危险或易燃废物流过管道，停止危险或易燃材料的生产线。这种类型的探测还可以利用其特征的多波系统提供相当可靠的地震识别。正是由于知道地震波以三波一组的方式传播，探测系统才能过滤掉外来的噪音，例如大型卡车、岩石爆破等可能产生的噪音。

依赖这种类型的检测的缺点

如果震中离传感设备太近，这种方法(以及大多数其他方法)将无效。通常没有足够的时间让机械设备做出反应，即使整个分析过程只需要几毫秒或更短的时间。由于地震波之间的时差是由于它们彼此之间的传播速度造成的，因此需要距离震中有一定的最小距离(见图4)才能建立具有合理置信度的识别。这个最小距离取决于应用。例如，在保护天然气或石油管道时，必须考虑到阀门密封管道的速度。

结论

我们有理由认为，采用久经考验的高性能数字信号处理技术，加上目前在数百万辆汽车的安全气囊碰撞检测中使用的各种运动传感器，可以设计出一种低成本的地震检测系统。一个实验系统的例子体现了这些原则，使用器件DSP和加速度计，可以在2000年SHARC国际DSP会议论文集中看到。地震探测系统提供了在破坏性地面地震波到来之前获得几个关键时刻提前通知的可能性。也许，如果这些想法为设计有用的设备埋下了种子，这些设备可以经过广泛的测试并大批量生产，那么地震灾害的某些方面就可以得到控制，从而挽救人类的工作和生命。

参考电路

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