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難一次又一次地激發了人們的注意力。很明顯，地震的威力不是我們目前準備處理的。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。然而，事實可能并非如此。如果分析得當，地震實際上可以發出地震初期發生的警告，即使只是在地面開始震動之前的片刻。一個關鍵目標是及時快速識別地震破壞性波的前兆，以啟動警報并關閉脆弱的設施。

在可行的情況下，早期發現可能非常有價值;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）的工業城市伊茲米特東南約90英里（200公里）處。地震在大片地區感受到 - 遠至安卡拉東部，距離約320英里（30公里）。非官方估計死亡人數在000，40至000，<>之間。

盡管商業和住宅建筑的倒塌造成了大部分傷亡，但由于隨后發生的火災，在科爾菲斯的大型圖普拉斯煉油廠發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通過管道和分配系統迅速蔓延到其他油庫，并失控數天，促使在三英里半徑內撤離。如果切斷控制輸送高度易燃材料的管道和分配系統的閥門，圖普拉斯煉油廠的一些生命和財產損失本來是可以避免的。在這樣的系統中，對最早的警告做出反應可能會讓管道和分配系統上的閥門關閉，并發出警報。

在許多地震多發地區，安全規范，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時響應，然后（在許多情況下）僅響應單個平面中的振動。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出誤報，需要浪費的重置程序。

如何分析地震以提前預警？

當地震發生時，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傳播：瑞利波具有類似于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復合體和表面波到達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，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（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，可以用來幫助預測破壞性表面波的到達時間。

圖4.距震中給定距離處的到達時間比較。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，將近3秒的時間可以感知和識別P-S復合體，并啟動警報和閥門關閉。快速響應的低成本傳感器和數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，檢測系統的元件包括地球運動的三維傳感，過濾，分析和警報的驅動，閥門關閉等。

圖5.檢測系統功能示意圖。

最簡單的方法如流程圖所示（圖 6）。在持續監測 X、Y 和 Z 加速度計輸出時，會識別出異常大的加速度擾動，并將其標記為可能的 P（壓縮）波。系統待命，等待將隨后的橫向擾動識別為S波。如果在對應于（例如）500公里的P波行程的時間內沒有發生，系統就會將其視為誤報（或遙遠的現象）。另一方面，如果確實出現橫向擾動，則檢測系統會發出警報，其中包括表面波ETA（估計到達時間），并可能在發出警報之前尋求當地類似系統的確認。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發生。

圖6.檢測驗證流程圖。

應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備的完美示例。ADI公司的快速響應ADXL202高靈敏度、低成本雙軸加速度計系列就是一個例子。然后，需要連續處理加速度計陣列產生的數據。需要對數據進行過濾，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行比較，以識別和預測地震到達傳感點（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特性，使其適用于濾波和分析以及決策制定。

進行此類檢測的主要優勢

這種類型的檢測在高風險地震地區可能非常有用。利用地震到達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。這段時間可用于許多事情，例如阻止危險或易燃廢物流經管道以及停止危險或易燃材料的生產線。這種類型的檢測還可以利用其特征性的多波系統提供相當可靠的地震識別。正是由于知道地震波以三人為一組傳播，檢測系統可以過濾掉外來噪音，例如大型卡車、巖石爆破等可能產生的噪音。

依賴這種檢測的缺點

如果地震的震中離傳感設備太近，這種方法（以及大多數其他方法）將是無效的。機械設備通常沒有足夠的時間做出反應，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用程序。例如，在保護天然氣或石油管線時，必須考慮閥門密封管道的速度。

結論

可以合理地認為，可以使用久經考驗的高性能數字信號處理以及現在用于數百萬輛汽車安全氣囊碰撞檢測的各種運動傳感器來設計低成本地震檢測系統。使用ADI公司的DSP和加速度計的實驗系統示例可在SHARC國際DSP會議2000年論文集中看到。地震探測系統提供了在破壞性表面地震波到來之前提前通知幾個關鍵時刻的可能性。也許如果這些想法為可以進行廣泛測試并大量生產的有用設備的設計播下種子，地震災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