在地震的最初时刻感知、分析和行动

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，地震的威力不是我们目前准备处理的。大部分问题在于，破坏性的地震波似乎在没有警告的情况下突然出现。然而，事实可能并非如此。如果分析得当，地震实际上可以发出地震初期发生的警告，即使只是在地面开始震动之前的片刻。一个关键目标是及时快速识别地震破坏性波的前兆，以启动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，考虑17年1999月45日星期二在土耳其发生的地震报告的毁灭性破坏和损失。里氏7.4级的7秒地震震中位于伊斯坦布尔以东约11英里（56公里）的工业城市伊兹米特东南约90英里（200公里）处。地震在大片地区感受到 - 远至安卡拉东部，距离约320英里（30公里）。非官方估计死亡人数在000，40至000，<>之间。

尽管商业和住宅建筑的倒塌造成了大部分伤亡，但由于随后发生的火灾，在科尔菲斯的大型图普拉斯炼油厂发生了一场广为人知的壮观的坦克爆炸，造成了重大伤亡。其中一个油库的火灾通过管道和分配系统迅速蔓延到其他油库，并失控数天，促使在三英里半径内撤离。如果切断控制输送高度易燃材料的管道和分配系统的阀门，图普拉斯炼油厂的一些生命和财产损失本来是可以避免的。在这样的系统中，对最早的警告做出反应可能会让管道和分配系统上的阀门关闭，并发出警报。

在许多地震多发地区，安全规范，即使是家庭，也需要对加速度敏感的截止阀。虽然无疑非常有用，但它们仅在表面波到达时响应，然后（在许多情况下）仅响应单个平面中的振动。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误报，需要浪费的重置程序。

如何分析地震以提前预警？

当地震发生时，能量向四面八方辐射。能量以三种类型的地震波的形式在地球上传播，称为初级波、次级波和表面波。

初级波（或P波）的能量在平行于地震波传播方向的平面（x轴和y轴）中作为一系列来回振动穿过地球。波穿过地球会导致其路径中粒子的推动（压缩）和拉动（膨胀），并且可以穿过固体或液体。P波是三种地震波中最快的。图1显示了P波穿过地球的通道。

图1.P波穿过地壳。

二次波（或S波，见图2）也称为横波可以穿过固体，但与P波不同，不能穿过液体。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。它的通过导致粒子向南北和东西向各个方向振动。它的速度介于P波和表面波之间。

图2.S波穿过地壳。

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。表面波以两种类型的波的形式沿着地球表面传播：瑞利波具有类似于S波的水平剪切运动，而爱波在垂直平面上具有类似于水波的滚动运动。图3显示了瑞利波和爱波在地球上的通过。

图 3a.瑞利波穿过地壳。

图 3b.爱的通道在地壳中波澜。

P波的传播速度通常比S波快1.68倍，比表面波快2到3倍，表面波通常以约3.7公里/秒的速度传播。因此，每行驶8公里，P波和S波之间通常有一秒钟的间隔。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公里通常会在P-S复合体和表面波到达之间增加一秒的延迟。

各种类型的地震波都遵循这种模式。在距震中给定的距离处，首先是P波到达，然后是S波，两者都具有很小的能量，因此它们没有威胁。最后，表面波带着它们所有的破坏性能量到达（图4）。我们注意到的主要是表面波作为地震。这种知识，即在任何表面或破坏性地震波之前都有明显的体波，可以用来帮助预测破坏性表面波的到达时间。

图4.距震中给定距离处的到达时间比较。计算基于表面波和体波速度的短距离近似值。

例如，在7英里（11公里）的距离内，将近3秒的时间可以感知和识别P-S复合体，并启动警报和阀门关闭。快速响应的低成本传感器和数字信号处理器可以快速做出决定，并允许几乎100%的时间用于机械操作。

如图5所示，检测系统的元件包括地球运动的三维传感，过滤，分析和警报的驱动，阀门关闭等。

图5.检测系统功能示意图。

最简单的方法如流程图所示（图 6）。在持续监测 X、Y 和 Z 加速度计输出时，会识别出异常大的加速度扰动，并将其标记为可能的 P（压缩）波。系统待命，等待将随后的横向扰动识别为S波。如果在对应于（例如）500公里的P波行程的时间内没有发生，系统就会将其视为误报（或遥远的现象）。另一方面，如果确实出现横向扰动，则检测系统会发出警报，其中包括表面波ETA（估计到达时间），并可能在发出警报之前寻求当地类似系统的确认。如果它们一直接触，这一切都可能在验证S波存在后的不到几毫秒内发生。

图6.检测验证流程图。

应用信号处理来解决这个问题

在解决这个问题时，必须及时准确地测量所有三个轴（X、Y 和 Z）中的运动。加速度计将是能够感知这种地震运动的设备的完美示例。ADI公司的快速响应ADXL202高灵敏度、低成本双轴加速度计系列就是一个例子。然后，需要连续处理加速度计阵列产生的数据。需要对数据进行过滤，以便消除随机噪声，并使用能量检测算法将任何接收信号与地震特征进行比较，以识别和预测地震到达传感点（和其他地方）的时间 - 以及表面波的可能能量水平。用于此类处理的器件的一个示例是DSP，例如低成本、高性能浮点ADSP-21161N。它提供 32 位精度、片上存储器和许多其他高级架构特性，使其适用于滤波和分析以及决策制定。

进行此类检测的主要优势

这种类型的检测在高风险地震地区可能非常有用。利用地震到达时间的差异可以提供几秒钟的提前通知，即破坏性波将很快出现。这段时间可用于许多事情，例如阻止危险或易燃废物流经管道以及停止危险或易燃材料的生产线。这种类型的检测还可以利用其特征性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人为一组传播，检测系统可以过滤掉外来噪音，例如大型卡车、岩石爆破等可能产生的噪音。

依赖这种检测的缺点

如果地震的震中离传感设备太近，这种方法（以及大多数其他方法）将是无效的。机械设备通常没有足够的时间做出反应，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间差是由于它们相对于彼此的传播速度，因此需要与震中保持一定最小距离（见图4）才能建立合理的置信度。该最小距离将取决于应用程序。例如，在保护天然气或石油管线时，必须考虑阀门密封管道的速度。

结论

可以合理地认为，可以使用久经考验的高性能数字信号处理以及现在用于数百万辆汽车安全气囊碰撞检测的各种运动传感器来设计低成本地震检测系统。使用ADI公司的DSP和加速度计的实验系统示例可在SHARC国际DSP会议2000年论文集中看到。地震探测系统提供了在破坏性表面地震波到来之前提前通知几个关键时刻的可能性。也许如果这些想法为可以进行广泛测试并大量生产的有用设备的设计播下种子，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。

审核编辑：郭婷