在地震的最初時(shí)刻感知、分析和行動(dòng)

地震和地震活動(dòng)一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題。土耳其、臺(tái)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(shí)可能并非如此。如果分析得當(dāng)，地震實(shí)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(dòng)之前的片刻。一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是及時(shí)快速識(shí)別地震破壞性波的前兆，以啟動(dòng)警報(bào)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(jià)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(bào)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(jì)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(gè)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?cái)?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(cái)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(huì)讓管道和分配系統(tǒng)上的閥門關(guān)閉，并發(fā)出警報(bào)。

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(shí)響應(yīng)，然后（在許多情況下）僅響應(yīng)單個(gè)平面中的振動(dòng)。此外，它們可能會(huì)對大型車輛引起的振動(dòng)和其他非地震沖擊發(fā)出誤報(bào)，需要浪費(fèi)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(shí)，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(dòng)穿過地球。波穿過地球會(huì)導(dǎo)致其路徑中粒子的推動(dòng)（壓縮）和拉動(dòng)（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(dòng)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(gè)方向振動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，而愛波在垂直平面上具有類似于水波的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。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(huì)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(shí)，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(shí)間。

圖4.距震中給定距離處的到達(dá)時(shí)間比較。計(jì)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(shí)間可以感知和識(shí)別P-S復(fù)合體，并啟動(dòng)警報(bào)和閥門關(guān)閉?？焖夙憫?yīng)的低成本傳感器和數(shù)字信號(hào)處理器可以快速做出決定，并允許幾乎100%的時(shí)間用于機(jī)械操作。

如圖5所示，檢測系統(tǒng)的元件包括地球運(yùn)動(dòng)的三維傳感，過濾，分析和警報(bào)的驅(qū)動(dòng)，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(jì)輸出時(shí)，會(huì)識(shí)別出異常大的加速度擾動(dòng)，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(dòng)識(shí)別為S波。如果在對應(yīng)于（例如）500公里的P波行程的時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生，系統(tǒng)就會(huì)將其視為誤報(bào)（或遙遠(yuǎn)的現(xiàn)象）。另一方面，如果確實(shí)出現(xiàn)橫向擾動(dòng)，則檢測系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，其中包括表面波ETA（估計(jì)到達(dá)時(shí)間），并可能在發(fā)出警報(bào)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(yàn)證S波存在后的不到幾毫秒內(nèi)發(fā)生。

圖6.檢測驗(yàn)證流程圖。

應(yīng)用信號(hào)處理來解決這個(gè)問題

在解決這個(gè)問題時(shí)，必須及時(shí)準(zhǔn)確地測量所有三個(gè)軸（X、Y 和 Z）中的運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)將是能夠感知這種地震運(yùn)動(dòng)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(jì)系列就是一個(gè)例子。然后，需要連續(xù)處理加速度計(jì)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(jī)噪聲，并使用能量檢測算法將任何接收信號(hào)與地震特征進(jìn)行比較，以識(shí)別和預(yù)測地震到達(dá)傳感點(diǎn)（和其他地方）的時(shí)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(gè)示例是DSP，例如低成本、高性能浮點(diǎn)ADSP-21161N。它提供 32 位精度、片上存儲(chǔ)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(xiǎn)地震地區(qū)可能非常有用。利用地震到達(dá)時(shí)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(shí)間可用于許多事情，例如阻止危險(xiǎn)或易燃廢物流經(jīng)管道以及停止危險(xiǎn)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(shí)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(diǎn)

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(jī)械設(shè)備通常沒有足夠的時(shí)間做出反應(yīng)，即使整個(gè)分析過程只需要幾毫秒或更短的時(shí)間。由于地震波之間的時(shí)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(shí)，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(yàn)的高性能數(shù)字信號(hào)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(yùn)動(dòng)傳感器來設(shè)計(jì)低成本地震檢測系統(tǒng)。使用ADI公司的DSP和加速度計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示例可在SHARC國際DSP會(huì)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(gè)關(guān)鍵時(shí)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(jì)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