地震和地震活動(dòng)一直是個(gè)熱門(mén)話題。土耳其，***和印度等地震等災(zāi)難一再引發(fā)人們的注意。很明顯，地震的力量不是我們目前準(zhǔn)備處理的事情。很大的問(wèn)題是破壞性的地震波似乎在沒(méi)有任何警告的情況下突然冒出來(lái)。然而，事實(shí)并非如此。如果分析得當(dāng)，地震實(shí)際上可以警告它們的初期發(fā)生，即使只是在地面開(kāi)始震動(dòng)之前的瞬間。一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是及時(shí)快速識(shí)別地震破壞性波浪的前兆，以便發(fā)現(xiàn)警報(bào)并關(guān)閉易受攻擊的設(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1999年8月17日星期二在土耳其發(fā)生的地震造成的破壞性損失和損失。里氏7.4級(jí)的45秒地震震中位于伊茲米特東南約7英里（11公里）處。工業(yè)城市位于伊斯坦布爾以東約56英里（90公里）處。地震發(fā)生在大片地區(qū) - 遠(yuǎn)至安卡拉東部，距離約200英里（320公里）。非正式估計(jì)將死亡人數(shù)控制在30,000至40,000之間。

雖然商業(yè)和住宅樓宇的倒塌導(dǎo)致大部分人員死亡和受傷，但廣泛宣傳和引人注目的坦克爆炸 - 發(fā)生在Tüpras的大型煉油廠。 Korfez因其隨后發(fā)生的火災(zāi)而造成嚴(yán)重的死亡和傷害。其中一個(gè)油庫(kù)的火災(zāi)通過(guò)管道和分配系統(tǒng)迅速蔓延到其他油庫(kù)，并在幾天內(nèi)失控，導(dǎo)致疏散在三英里范圍內(nèi)。如果控制管道和帶有高度易燃材料的配水系統(tǒng)的閥門(mén)已經(jīng)關(guān)閉，那么Tüpras煉油廠的生命和財(cái)產(chǎn)損失可能會(huì)被阻止。對(duì)這種系統(tǒng)中最早的警告作出反應(yīng)的一些額外時(shí)刻可能會(huì)使管道和配電系統(tǒng)關(guān)閉閥門(mén)，并發(fā)出警報(bào)聲。

在許多地震災(zāi)區(qū)，安全代碼，即使是家庭，也需要加速度敏感的截止閥。雖然毫無(wú)疑問(wèn)非常有用，但它們僅在表面波到達(dá)時(shí)才響應(yīng)，然后僅在（在許多情況下）在單個(gè)平面中振動(dòng)。此外，他們可能會(huì)對(duì)大型車輛引起的振動(dòng)和其他非地震沖擊的誤報(bào)作出反應(yīng)，需要浪費(fèi)重置程序。

如何分析地震以提前預(yù)警？

地震發(fā)生時(shí)，能量向各個(gè)方向向外輻射。能量通過(guò)地球和地球周圍傳播為三種類型的地震波，稱為初級(jí)，次級(jí)和表面波。

初級(jí)波的能量（或者P波作為平行于地震波傳播方向的平面（x軸和y軸）中的一系列前后振動(dòng)穿過(guò)地球。波浪穿過(guò)地球會(huì)導(dǎo)致粒子在其路徑中推動(dòng)（壓縮）和拉動(dòng)（膨脹），并且可以穿過(guò)固體或液體。P波是三種地震波中最快的。圖1顯示了P波通過(guò)地球的過(guò)程。

次波（或S波，見(jiàn)圖2）被稱為剪切的波可以穿過(guò)固體，但與P波不同，波不能穿過(guò)液體。 S波的能量作為一系列垂直于地球表面的上下振動(dòng)穿過(guò)地球。它的通過(guò)導(dǎo)致粒子在所有方向，南北和東西方振動(dòng)。它的速度介于P波和表面波之間。

表面波是三種地震波中最慢和最具破壞性的波。表面波作為兩種類型的波沿著地球表面?zhèn)鞑ィ喝鹄ň哂蓄愃朴赟波的水平剪切運(yùn)動(dòng)，而Love波在垂直平面中具有像水波一樣的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖3顯示了Rayleigh和Love波穿過(guò)地球的過(guò)程。

P波浪通常比S波浪快1.68倍，比表面波浪快2到3倍，而波浪通常在3.7 km / s。因此，對(duì)于每行進(jìn)8km，P和S波之間通常存在一秒鐘的間隔。 S波以比表面波快4 km / s的速度傳播，因此距離震中每4 km通常會(huì)在PS復(fù)合體和表面波到達(dá)之間增加一秒鐘的延遲。

各種類型地震波遵循這種模式。在離震中一定距離處，首先P波到達(dá)，然后是S波，兩者都具有如此小的能量而不會(huì)受到威脅。最后，表面波以其所有破壞性能量到達(dá)（圖4）。它主要是地震波，我們會(huì)注意到地震。這種知識(shí)在任何表面或破壞性地震波之前都有告知體波，可用于幫助預(yù)測(cè)破壞性表面波的到達(dá)時(shí)間。

例如，在距離為7英里（11公里），將近3秒鐘可以感知和識(shí)別PS復(fù)合體，并啟動(dòng)警報(bào)和閥門(mén)關(guān)閉。快速響應(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策，并且?guī)缀?00％的時(shí)間用于機(jī)械操作。

檢測(cè)系統(tǒng)的元件，如圖5所示，包括3-地球運(yùn)動(dòng)的尺寸感應(yīng)，過(guò)濾，分析和報(bào)警，閥門(mén)關(guān)閉等的啟動(dòng)

流程圖中顯示了最簡(jiǎn)單的方法（圖6）。在連續(xù)監(jiān)測(cè)X，Y和Z加速度計(jì)輸出的同時(shí)，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)待機(jī)，等待將隨后的橫向擾動(dòng)識(shí)別為S波。如果在與（例如）500公里的P波行程相對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生，則系統(tǒng)將其作為誤報(bào)（或遠(yuǎn)距離現(xiàn)象）甩掉。另一方面，如果出現(xiàn)橫向干擾，則檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)警報(bào)，該警報(bào)包括表面波ETA（估計(jì)的到達(dá)時(shí)間），并且可能在發(fā)出警報(bào)之前尋求來(lái)自該地區(qū)的類似系統(tǒng)的確認(rèn)。如果它們保持恒定接觸，則在驗(yàn)證S波的存在后不到幾毫秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生這種情況。

應(yīng)用信號(hào)處理來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題

在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，必須迅速準(zhǔn)確地測(cè)量所有三個(gè)軸-X，Y和Z-的運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)將是能夠感測(cè)這種地震運(yùn)動(dòng)的裝置的完美示例。一個(gè)例子可能是快速響應(yīng)的ADI公司ADXL202高靈敏度和極低成本的雙軸加速度計(jì)系列。然后需要連續(xù)處理由加速度計(jì)陣列產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，以便消除隨機(jī)噪聲，并使用能量檢測(cè)算法將任何接收信號(hào)與地震信號(hào)進(jìn)行比較，以識(shí)別和預(yù)測(cè)地震在傳感點(diǎn)（和其他地方）的到達(dá)時(shí)間 - 以及可能的能量表面波的水平。用于此類處理的器件的示例是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)器和許多其他先進(jìn)的架構(gòu)特性，使其適用于過(guò)濾，分析和決策。

進(jìn)行此類檢測(cè)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)< / h3>

這種類型的檢測(cè)在高風(fēng)險(xiǎn)地震區(qū)域非常有用。利用地震到達(dá)時(shí)間的差異可以提前幾秒鐘通知不久將出現(xiàn)破壞性波浪。這一次可用于許多方面，例如阻止危險(xiǎn)或易燃廢物流過(guò)管道并停止危險(xiǎn)或易燃材料的生產(chǎn)線。這種類型的檢測(cè)還可以通過(guò)利用其特有的多波系統(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個(gè)為一組傳播，檢測(cè)系統(tǒng)可以濾除外來(lái)噪聲，例如可能由大型卡車，巖石爆破等產(chǎn)生。

依賴的缺點(diǎn)這種類型的檢測(cè)

如果地震的震中太靠近傳感設(shè)備，這種方法（以及大多數(shù)其他方法）將無(wú)效。即使整個(gè)分析過(guò)程僅需要幾毫秒或更短的時(shí)間，機(jī)械設(shè)備通常也沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)作出反應(yīng)。由于地震波之間的時(shí)間差是由于它們相對(duì)于彼此的傳播速度，因此需要距離震中一些最小距離（參見(jiàn)圖4）以建立具有合理置信度的識(shí)別。該最小距離將取決于應(yīng)用。例如，在保護(hù)燃?xì)饣蛉加凸苈窌r(shí)，必須考慮閥門(mén)密封管道的速度。

結(jié)論

有理由認(rèn)為，可以使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高性能數(shù)字信號(hào)處理以及現(xiàn)在使用的各種運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)設(shè)計(jì)低成本的地震檢測(cè)系統(tǒng)。數(shù)百萬(wàn)輛汽車的安全氣囊碰撞檢測(cè)。在 SHARC International DSP Conference 2000 Proceedings中可以看到使用ADI公司的DSP和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)這些原理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)例子。地震檢測(cè)系統(tǒng)提供了在破壞性地震波到達(dá)之前具有一些預(yù)先通知的關(guān)鍵時(shí)刻的可能性。也許如果這些想法能夠?yàn)榭梢赃M(jìn)行大量測(cè)試并大批量生產(chǎn)的有用設(shè)備設(shè)計(jì)種子，可以遏制地震災(zāi)害的某些方面，從而節(jié)省人類的工作和生命。