Мережі сейсмічного зондування землі для попередження землетрусу

Землетруси становлять серйозну загрозу для промислових і житлових районів, а також для всіх типів споруд. У міру збільшення цих територій і будівництва будівель сейсмічний моніторинг по­требує впровадження розгалуженої мережі сенсо­рів.

Технології сенсорів

Використання акселерометрів на базі MEMS- технології і сейсмоприймачів малого розміру доз­воляє розробити прості рішення Інтернету речей для мережі сейсмічних сенсорів.

Мережі сейсміч­них сенсорів можуть бути використані для моніто­рингу не тільки землетрусів, але й визначення ста­ну інфраструктурних об’єктів, таких як промислові будівлі, електростанції, нафтопереробні заводи і т.і. у тому числі в умовах бойових дій.

Д. Сантос, А. Катапанг, Е. Рейта

Оскільки світ стає все більш взаємопов’язаним і взаємозалежним, помірні та сильні землетруси мо­жуть спричинити значні економічні збитки та втрати. Сильний землетрус у будь-якому міському центрі матиме миттєвий вплив на економіку цього центру та на здатність його підприємств надавати послуги . Ризик землетрусу є глобальною проблемою, яку можна вирішити вдосконаленням сейсмічного моні­торингу.

Одним із ключових факторів удосконалення сейсмічного моніторингу є впровадження мережі сейсмічних сенсорів, що вимагає широкого розгор­тання та взаємодії сейсмічних приладів. Однак вартість і складність встановлення традиційних сейсмічних сенсорів та приладів досить велика.

 Роль Інтернету речей

Застосування технології Інтернету речей або IoT забезпечує недороге рішення при збереженні стан­дартної якості сейсмічних даних. У цій статті об­говорюється фізика землетрусів і сенсори руху зем­лі, а також сучасні технології інтернету речей з вимо­гами до відповідних приладів і функцій.

 Фізика землетрусів

Землетрус – це подія, спричинена рухом і зі­ткненням тектонічних плит. Енергія, що утворюється в результаті зіткнень, поширюється через поверхню землі та навколо неї у вигляді сейсмічних хвиль. Ці хвилі надходять у кількох напрямках і класифікують­ся як об’ємні та поверхневі хвилі (рис. 1).

Існує два типи поверхневих хвиль: первинні (P- хвилі) і вторинні (S-хвилі). Р-хвилі розповсюджують­ся вздовж напрямку поширення у вигляді серії стис­нень і розріджень. Незважаючи на те, що вони мають найбільший спад енергії серед інших типів хвиль, вони є найшвидшими, маючи швидкість у діа­пазоні від 5 до 8 км/с.

Швидкий спад енергії також робить їх найменш руйнівним типом хвилі. P-хвилі можуть поширюва­тися не тільки через поверхню, але також через воду або рідину. S-хвилі або зсувні хвилі слідують одразу після приходу P-хвиль. Вони рухаються вздовж по­верхні землі зі швидкістю приблизно від 60 до 70% від P-хвиль. Цей тип хвилі поширюється ортогональ­но до напрямку поширення та поверхні Землі.

S-хвилі більш руйнівні, ніж P-хвилі через їх мен­ший спад енергії. Поверхневі хвилі на 10% повільні­ші, ніж об’ємні, але вони найбільш руйнівні. Варто зазначити, що швидкість розповсюдження сейсміч­них хвиль значно змінюється залежно від типу ґрун­ту, в якому вони поширюються .

Поверхневі хвилі складаються з хвиль Релея та Лава. Хвилі Релея – це тип поверхневих хвиль, які поширюються біля поверхні Землі у вигляді збурень і викликають обертання, яке може бути поступаль­ним (вздовж напрямку розповсюдження) або ретро­градним (проти напрямку розповсюдження).

За характером їхнього руху їх також називають ґрунтовим креном. З іншого боку, хвилі Лава поширюються ортогонально напрямку поширення, але паралельно поверхні Землі. На рис. 1 показано різні типи хвиль та їх вплив на поверхню ґрунту.

Магнітуда, інтенсивність та спектральна ін­тенсивність.

Магнітуду та інтенсивність землетрусу зазвичай помилково приймають за одне і теж. Ці па­раметри можуть бути пов’язані, але це два різні па­раметри землетрусу. Інтенсивність землетрусу, або просто інтенсивність, залежить від властивостей місця, де проводилися вимірювання та описує вплив землетрусу на певну територію і традиційно викори­стовується в усьому світі як метод кількісної оцінки характеру поштовхів і масштабу збитків.

Отже, інтенсивність землетрусу не має одного справжнього значення. Значення інтенсивності зем­летрусів відповідають модифікованій шкалі інтен­сивності Меркаллі (від 1 до 12 балів) або шкалі Россі-Фореля (від 1 до 10 балів). Однак зараз у всьому світі переважно використовується модифікована ін­тенсивність Меркаллі (MMI). Табл. 1 показує значен­ня інтенсивності з відповідним описовим ефектом у модифікованій шкалі Меркаллі, наданій Геологічною службою США (USGS).

Таблиця 1. Скорочена модифікована шкала інтенсивності Меркаллі, MMI MMI

Існує багато методів визначення інтенсивності землетрусу . Ці методи використовують дані, зі­брані під час минулих землетрусів, і мають відповід­ні рівняння прогнозування руху землі (GMPE) для прогнозування значень інтенсивності. Отримані рів­няння використовують принаймні один рух або ком­бінацію параметрів руху ґрунту, а саме пікове змі­щення ґрунту (PGD), максимальну швидкість ґрунту (PGV) і пікове прискорення ґрунту (PGA). Попередні рівняння, як правило, базувалися на основі пара­метра PGA з кількома випадками, які використовують параметри PGV і PGD.

Незважаючи на те, що параметр GMPE викори­стовує дані з багатьох баз даних для визначення ко­реляції, значення, отримані різними методами, значно відрізняються. Наприклад, значення приско­рення PGA 10 см/с² з використанням GMPE Wald призводить до значення MMI 3.2. Крім того, GMPE Hershberger класифікує значення PGA 10 см/с² до значення MMI 4,43. Відмітимо, що більшість пара­метрів GMPE підпорядковується степеневому зако­ну, тому експоненціальне збільшення значення PGA потрібне для ступінчастого збільшення значення шкали MMI. Кореляційні рівняння (1), які отримані Валдом і Гершбергером, відображають прогнозу­вання руху землі: (a) за Валдом, (б) за Гершберге- ром :

MMI =2.2log(PGAmax) + 1,

(1)

MMI =2.33log(PGA) + 1.5.

Японське метеорологічне агентство (JMA) роз­робило шкалу інтенсивності сейсмічної активності, яку можна обчислити на основі даних прискорення за трьома осями прискореного руху . Для цього використано перетворення Фур’є для сигналу при­скорення від кожної осі. До частотного сигналу по кожній осі застосовується смуговий фільтр з харак­теристикою, наведеною на рис. 2. Також на цьому рисунку є математичне представлення характери­стики для кожного з фільтрів a, б, в.

Після зворотного перетворення Фур’є відфільт­рованого частотного сигналу по кожній осі обчис­люється величина векторної суми результуючого сигналу у часовій області для всіх трьох осей. Найвище значення прискорення, яке виникає протягом 0,3 секунд або більше, позначається як a0. Інструментальна сейсмічна інтенсивність потім обчис­люється з a0 за допомогою рівняння (2), яке відобра­жає сейсмічну інтенсивність JMA з використанням найвищого прискорення тривалістю щонайменше 0,3 секунди .

IJMA = 2loga0 +0/94,                                 (2)

де IJMA — сейсмічна інтенсивність, a0 – найбільше прискорення для 0.3 с чи більше.

Спектральна інтенсивність землетрусу.

У той час як інтенсивність землетрусу залежить від його ефекту, який відчувається в певному місці, спек­тральна інтенсивність (SI) є мірою величини руйнів­ної енергії, накладеної землетрусом на конкретну структуру . Значення SI обчислюється за спек­тром відгуку швидкості з використанням рівняння (3).

де SI – спектральна інтенсивність, Sv(T,h) – зсув спектру швидкості у частотному діапазоні h з періо­дом T.

Дуже жорсткі конструкції мають нормальний пе­ріод швидкості від 1,5 до 2,5 с. Оскільки значення SI працює зі спектром швидкості струсу, воно можелегко відрізнити сейсмічну активність, яка виклика­на землетрусом, від інших джерел.

Таким чином, значення SI можна використовува­ти як стандарт впливу землетрусу на стан конструк­ції будівлі. Крім того, порівняно з інтенсивністю сейсмічної активності JMA, значення SI передбачає менш складне обчислення, що робить його більш придатним використання у додатках з низьким енергоспоживанням. Рівняння (3) відображає спек­тральну інтенсивність з використанням спектру від­гуку швидкості струшування, інтегрованого за пе­ріод нормальної швидкості будівлі .

Магнітуда землетрусу, або просто магнітуда, яв­ляє собою кількість енергії, вивільненої під час зем­летрусу в його джерелі або гіпоцентрі. Її величина не залежить від місця вимірювання. Насправді вона має лише одне справжнє значення за шкалою Ріхте- ра. Найсильнішим землетрусом, який будь-коли було зареєстровано був землетрус у Вальдівії, Чилі, у 1960-х роках з магнітудою від 9,4 до 9,6 балів за шкалою Ріхтера. Кореляція між магнітудою та інтен­сивністю землетрусу досі ще не повністю визначе­на. Встановлення певного зв’язку між ними зале­жить від багатьох факторів, таких як глибина гіпо­центру, склад ґрунту навколо гіпоцентру, тип рель­єфу між епіцентром і вимірювальним пристроєм, а також розташування пристрою або його відстань від епіцентру.

Наприклад, у травні 2017 року було визначено, що землетрус, який стався біля узбережжя штату Орегон, мав магнітуду 4 бали за шкалою Ріхтера. Згідно з картою поштовхів USGS за липень 2017 року штат Монтана відчув землетрус із рівнем інтенсивності від 5 до 6 балів, тоді як Айдахо відчув той самий землетрус лише з рівнем інтенсивності від 2 до 3 балів. Це показує, що навіть якщо Айдахо знаходиться ближче до епіцентру порівняно з Мон­таною, зовсім не обов’язково, що ефект землетрусу в Айдахо буде відчуватися сильніше.

Сейсмічне зондування

Сейсмічне зондування – це процес вимірювання та аналізу сейсмічних хвиль. Сейсмічні хвилі сто­суються не тільки рухів, викликаних землетрусами; будь-яка сила, прикладена до землі, навіть така лег­ка, як ходьба, може спричинити збурення, достатнє для виникнення сейсмічних хвиль.

Діапазон рухів землі, який визначають системи моніторингу землетрусів, дуже великий. Землетру­си можуть сформувати рухи землі тонкими, як папір, або висотою з кімнату. Рух землі можна охарактери­зувати переміщенням, швидкістю та прискоренням. Зміщення землі вимірюється відстанню, яку пройшла поверхня землі. Зміна положення може бути як горизонтальною, так і вертикальною. Швидкість ґрунту – це те, на яку відстань була переміщена по­верхня, тоді як прискорення ґрунту – це те, наскільки швидко змінюється швидкість ґрунту з часом.

Прискорення землі є найважливішим фактором у визначенні напруги, викликаної конструкціями під час землетрусів. Зв’язок між величиною, рухом зем­лі та інтенсивністю показано в презентації GeoSIG . Пристрої, що використовуються для сейсміч­ного зондування, дуже специфічні. Програми, які включають сейсмічне зондування, можна класифіку­вати на основі їхніх діапазонів частот. Тому прилади поставляються разом з кривими частотної характе­ристики, що відповідають умовам їхнього викори­стання. Ілюстрацію різних застосувань приладів сейсмічного зондування з їх частотними характери­стиками наведено на діаграмі GeoSIG .

Огляд сучасних сейсмометрів і наземних сенсорів.

Сейсмічні сенсори, які зазвичай нази­ваються сейсмометрами, еволюціонували від вико­ристання традиційного пера або маятника до вико­ристання електронних або електромеханічних сен­сорів. Удосконалення в розробці цих сенсорів при­звело до створення приладів із різноманітними діа­пазонами робочих частот, механізмами чутливості та вимірюваними параметрами руху землі.

Сейсмометри деформації.

Історичні сейсмо­розвідувальні прилади можуть реєструвати лише зміщення землі. Технологічний прогрес зробив мож­ливим використання різних механізмів для вимірю­вання зміщення землі. Деформаційний сейсмометр або тензометр зазвичай відноситься до приладів, які записують і вимірюють зміщення між двома точ­ками землі .

Традиційні прилади використовували суцільний стрижень, закопаний або встановлений у свердло­вині. Стрижень зазвичай наповнений кварцом або іншим матеріалом, дуже чутливим до деформації. Зміна, наприклад, довжини пояснюється невелики­ми зміщеннями, спричиненими рухом землі. Інший тип сейсмометра називається об’ємним тензомет­ром, у якому використовується встановлений у свердловині циліндр із трубкою, заповненою ріди­ною . Деформація об’єму циліндру спричиняє зміну рівня рідини. Сенсор зміщення рівня рідини перетворює цей параметр на зміщення землі. Не потребуючи спеціальних матеріалів, необхідних для традиційних приладів, об’ємний тензометр, як пра­вило, використовується в польових умовах. Сучасні досягнення в лазерній технології дозволили створити лазерний інтерферометр, який значно розширює точність вимірювачів деформації в цілому. Цей тип тензометра використовує принцип інтерферометра Майкельсона з нерівною довжиною плеча, де одна точка є сенсором, лазерним джерелом і коротким плечем; а інша точка є рефлектором, розташованим на відстані вимірювання.

Пристрій перетворює зміну інтерференційних смуг, викликану рухом рефлектора, на зміщення землі. Чутливість і точність вимірювання переміщен­ня за допомогою цього підходу прямо пропорційна довжині вимірювальної відстані. Таким чином, ла­зерні тензометри потребують дуже глибоких під­земних установок.

Точність тензометрів може досягати однієї ча­стки на мільярд. Таким чином, ці пристрої зазвичай використовуються для вимірювання деформації Землі або руху кори внаслідок руху розломів або вулканічної діяльності. Вони можуть вимірювати сиг­нали сейсмічних хвиль на дуже низьких частотах. Однак диференціальний рух землі дуже малий у по­рівнянні з рухом підвішеної маси відносно землі. Та­ким чином, тензометри не рекомендується викори­стовувати для вимірювання рухів ґрунту, спричине­них землетрусами .

Інерціальний сейсмометр

Інерціальний сейсмометр визначає парамет­ри руху ґрунту відносно інерціального відліку, який зазвичай є підвішеною масою . Зокрема, пара­метри руху ґрунту відносяться до лінійної швидкості та зміщення підвішеної маси. Хоча результуючий рух ґрунту складається як з лінійних, так і з кутових ком­понентів, обертальний ефект від сейсмічної хвилі виявився незначним.

Ці значення швидкості та переміщення отри­мують від сенсорів, які перетворюють рух підвішеної маси в електричні сигнали. Механічна підвіска, яка керує рухом, залежить від сили інерції, що діє на під­вішену масу. Сенсори швидкості та переміщення, а також механічна підвіска є двома основними компо­нентами інерціальних сейсмометрів. Розробка точ­них приладів для цих двох компонентів є головною у створенні сучасних інерціальних сейсмометрів.

Силометри або збалансовані акселерометри (Force-Balanced Accelerometers – FBA).

Механічна підвіска потребує невеликої сили відновлення для чутливості, щоб невеликі прискорення могли спричинити зміщення підвішеної маси. Однак, коли великі прискорення від сильного сейсмічного руху застосовуються до підвішеної маси, невелика від­новлююча сила не зможе врівноважити результую­чий рух.

Таким чином, пасивна механічна підвіска є точ­ною та чутливою лише до обмеженого діапазону прискорень землі. Збалансований акселерометр усуває це обмеження, додаючи до механічної підвіс­ки негативний зворотний зв’язок. Компенсуюча сила створюється електромагнітним перетворюва­чем положення підвішеної маси.

Це положення перетворюється сенсором пере­міщення в електричний сигнал, який проходить че­рез блок інтегратора для створення вихідної напру­ги, пропорційної прискоренню землі. Динамічний діапазон FBA значно більший, ніж у сейсмометрів з пасивною механічною підвіскою. Таким чином, цей пристрій зазвичай використовується для сейсмо­розвідки сильного руху. Однак затримка, яка викли­кана зворотним зв’язком, обмежує пропускну здат­ність такого пристрою.

Швидкісні широкосмугові сейсмометри (Ve­locity Broadband або VBB Seismometers).

Сейсмічні хвилі від руху транспортних засобів і антропогенних збурень, таких як події в шахтах, мають високоча­стотне прискорення землі. На дуже низьких часто­тах незбалансована підвіска, нахил землі та теплові ефекти домінуватимуть над прискоренням землі. Таким чином, смуга пропускання для сейсмометрів, що використовують прискорення землі, обмежена певною смугою відгуку.

Смуговий відгук прискорення землі еквівалент­ний високочастотному відгуку швидкості землі. Та­ким чином, для більш широкої смуги сейсмометра сейсмічні сигнали записуються в параметрах швид­кості руху землі. Сейсмометр типу VBB заснований на принципі FBA, але замість передачі прискорення зваженої маси як зворотного зв’язку використо­вуються її швидкість і положення. Відгук цього при­строю дуже схожий на теоретичний відгук традицій­ного інерціального сейсмометра, але без зниження чутливості та точності для більш широкого діапазону сил.

Геофони та мікроелектромеханічної системи або MEMS-акселерометри.

Тенденція збільшення кількості сейсмічних сенсорів спрямована на роз­робку мереж і масивів сейсмічних сенсорів, наприк­лад, для моніторингу землетрусів, розвідки нафти та стану конструкцій. Впровадження сейсмометра, його екранування та встановлення є загальними об­меженням для розповсюдження нових типів таких пристроїв.

Масове виробництво та швидке розгортання пристроїв, на які безпосередньо впливають наведе­ні обмеження, потребують зменшення розміру тавартості сейсмометрів. Наразі існує два типи сен­сорних технологій, здатних фіксувати рух землі, які є надзвичайно мініатюрними та недорогими порівня­но з сейсмометрами типів FBA та VBB.

Геофони – це легкі, надійні сенсори швидкості руху, які не потребують електроенергії для роботи. Сучасні сейсмоприймачі мають магніт, закріплений на корпусі й оточений котушкою з обмоткою . Котушка з обмоткою підвішена пружинами, які доз­воляють їй рухатися поперек магніту. Швидкість цього руху відносно магніту індукує вихідний сигнал напруги. На рис. 3 показано змодельовану частотну характеристику геофона у смузі 4.5 Гц. Частотна ха­рактеристика сейсмоприймача є плоскою за швид­кістю для діапазону частот, що перевищує його ре­зонансну частоту, і зменшується для частот, нижчих за цю частоту. Невеликі та недорогі геофони мають резонансні частоти, як правило, вище 4.5 Гц.

На рис. 4 наведена електрична модель з викори­станням механічних параметрів сейсмоприймача SM-6 у смузі 4.5 Гц .

Щоб розширити смугу частот для сейсмічного зондування, використовується подовжувач періоду. Трьома найпоширенішими методами розширення низькочастотної характеристики є інверсні фільтри, позитивний і негативний зворотний зв’язок . Ін­версні фільтри

компенсують спад характеристики сейсмоприймача на частотах, нижчих за резонансну На рис. 5 показана характеристика інверсного фільтра, а також його передаточна функція. Цей ме­тод має багато недоліків, у тому числі не досить ви­соке відношення сигнал/шум (SNR).

Позитивний зворотний зв’язок здійснюється шляхом подачі зовнішнього струму на котушку сейс­моприймача, який чинить силу на її підвішену масу. Забезпечити стабільність фільтра позитивного зво­ротного зв’язку досить складно на практиці. Нега­тивний зворотний зв’язок, на відміну від позитивно­го, пом’якшує призупинений рух маси всередині. Його можна реалізувати за допомогою операційно­го підсилювача, як показано на рис. 6.

MEMS-акселерометр є перетворювачем руху в корпусі ІМС. У типовій конструкції використовується пара конденсаторів із мікромасою кремнію з мета­левими пластинами посередині . Зміни поло­ження маси призводять до змін ємності MEMS-при­строю, які перетворюються на сигнал напруги, пропорційний прискоренню підвішеної маси. Для робо­ти MEMS-пристроїв потрібне джерело живлення, а деякі MEMS-акселерометри мають вбудований цифровий фільтр для усунення шуму, а також мають гарну узгодженість сенсора з іншими компонентами вимірювального каналу. Як показано на рис. 7, ча­стотна характеристика MEMS-акселерометра схожа на характеристику ФНЧ із зрізом на резонансній ча­стоті.

Рис. 7. Частотна характеристика MEMS-акселерометра по осі X

MEMS-акселерометри працюють краще на ви­щих частотах аж їх до резонансної частоти . На­впаки, геофони, завдяки своїй механічній конструк­ції, працюють краще на нижчих частотах, які переви­щують резонансну частоту. Невеликий недорогий сейсмометр може бути реалізований на основі гео­фону і MEMS-акселерометру для досягнення біль­шої пропускної здатності пристрою. Вихідний сиг­нал сейсмоприймача можна перетворити на різні параметри руху ґрунту за допомогою відповідної функції передачі сенсора. У документі «Сейсмічний зондування: порівняння геофонів і акселерометрів з використанням лабораторних і польових даних» розглянуті вихідні дані геофона та MEMS-акселеро­метра для визначення зміщення землі на основі вейвлет-перетворення Ріккера .

Рекомендації щодо застосування сейсмічних сенсорів.

Аналіз мереж сейсмічних сенсорів не­обхідний для визначення повторюваності та одно­рідності параметрів відповідності стандартам і спе­цифікаціям на компоненти мережі. Геологічна служ­ба США встановила стандарт для приладів та сенсо­рів, які будуть розгортатися в національній сейсміч­ній системі (ANSS) . Далі розглядаються різні специфікації, необхідні для досягнення бажаної про­дуктивності сенсорів для широкого спектру застосу­вань на основі досвіду та технологій, відзначених Геологічною службою США.

Стандарти системи збору даних.

Геологічна служба США класифікує сучасні сейсмометри як си­стеми збору даних. На відміну від традиційного сейсмометра, стандартна система збору даних включає сейсмічний сенсор, блок збору даних, а та­кож периферійне та комунікаційне обладнання. Такі системи поділяються на прилади класу A, B, C і D за­лежно від продуктивності пристрою. Прилади класу A близькі до найсучасніших сейсмометрів, тоді як ін­струменти класу D можна порівняти з традиційними сейсмометрами. Отримати повну інформацію про технічні характеристики можна в Інструкції з викори­стання таких приладів .

Пропускна здатність приладу.

Зазначена сму­га пропускання та частотна характеристика сейсміч­них сенсорів відрізняються для вимірів швидкості та прискорення. Чим вищий клас приладу, тим більш широка смуга частот і краща частотна характери­стика. Усі широкосмугові сенсори є приладами кла­су А з широкою смугою пропускання щонайменше від 0.01 Гц до 50 Гц. Їх частотна характеристика плоска для швидкості в діапазоні частот від 0.033 до 50 Гц .

Короткоперіодичні сенсори класу А мають низьку смугу частот від 0.2 до 50 Гц. Їх частотна характери­стика плоска для швидкості лише в діапазоні частот від 1 до 35 Гц . Акселерометри класу A мають плоску частотну характеристику в діапазоні від 0.02 до 50 Гц, тоді як акселерометри класу B мають плос­ку частотну характеристику лише в діапазоні від 0.1 до 35 Гц .

Сенсори сильного руху, слабкого руху та ши­рокосмугові сенсори.

Сенсори, які використо­вуються в системах збору даних, класифікуються за амплітудою та частотним діапазоном сейсмічних сигналів. Сенсори сильного руху вимірюють сейс­мічні сигнали великої амплітуди і зазвичай є акселе­рометрами. Акселерометри сильного руху можуть вимірювати до 3.5 g із системним рівнем шуму менше 1 мкг/\Тц . Сенсори слабого руху можуть ви­мірювати сейсмічні сигнали дуже низької амплітуди з рівнем шуму менше 1 нг/лГц . Однак широкос­мугові сенсори зараз вже здатні вимірювати сейс­мічні сигнали низької амплітуди; отже, сенсори сла­бого руху на практиці використовуються рідко.

Динамічний діапазон сенсорів.

Широкосмуго­ві сенсори швидкості мають чутливість 1500 В/м/с. Для максимальної вихідної напруги ±20 В макси­мальна вимірювана швидкість становить ±0.013 м/с . Короткоперіодичні сенсори швидкості більш чутливі, ніж широкосмугові сенсори в меншому діа­пазоні частот. Рівень чутливості зазвичай становить ±0.01 м/с при частоті сигналу 1 Гц . Рівень фікса­ції для акселерометрів класу A перевищує ±3.5 g, тоді як для акселерометрів класу B він становить ±2.5 g . Динамічний діапазон сенсору – це відно­шення найбільшого вимірюваного середньоквадра- тичного значення сейсмічного сигналу до серед- ньоквадратичного власного шуму. Однак серед- ньоквадратичне значення власного шуму сенсору змінюється вздовж його смуги пропускання.

У табл. 2, 3 наведено динамічний діапазон різних сейсмічних сенсорів для різних діапазонів частот.

Таблиця 2. Динамічний діапазон різних широкосмугових сейсмічних сенсорів

Таблиця 3. Динамічний діапазон різних короткоперіодичних сейсмічних сенсорів

Канали датчиків і їх орієнтація.

Компоненти лі­нійного руху ґрунту внаслідок сейсмічних хвиль при­сутні на всіх трьох декартових осях. Традиційна стандартна орієнтація тривісних сейсмічних сенсо­рів – на схід, північ і вгору. Однак конструкція традиційних і навіть деяких сучасних сейсмометрів відріз­няється для горизонтальних і вертикальних сенсо­рів, оскільки вертикальні сенсори повинні врахову­вати гравітаційні ефекти. Однорідне тривісне розта­шування дозволяє використовувати сенсори подіб­ної конструкції для визначення лінійних компонентів руху ґрунту на декартових осях . Сенсори розта­шовуються в трьох рівновіддалених точках по колу навколо центру приладу та нахилені до нього під ку­том 54.7 від вертикалі. Модифікований набір осей можна повернути до декартових осей за допомогою рівняння (4), яке являє собою матрицю для перетво­рення однорідного тривісного розташування, в де­картову систему координат.

Більшість сучасних сенсорів, як правило, скон­струйовані для тривісних вимірювань. Ці сенсори мають притаманний міжосьовий зв’язок у дуже ма­лих градусах. Рекомендації щодо приладів вима­гають, щоб міжосьовий зв’язок був меншим за 70 дБ вихідного сигналу .

Роздільна здатність і частота дискретизації.

Рухи землі в результаті землетрусів можуть мати дуже малі амплітуди на дуже низьких частотах. Реєстратори даних, які використовуються для сейс­мічних приладів, здатні записувати сигнали з різни­ми частотами дискретизації та високою роздільною здатністю. Широкосмугові сейсмометри потре­бують принаймні 20-розрядної роздільної здатності даних із частотою дискретизації від 0.1 вибірки за секунду до 200 вибірок.

Короткоперіодичні сенсори швидкості та акселе­рометри класу A потребують принаймні 22-розряд- ної роздільної здатності даних із частотою дискре­тизації від 1 вибірки за секунду до 200 вибірок. Аксе­лерометри класу B мають нижчі вимоги до розділь­ної здатності принаймні 16 розрядів даних . Спе­цифікації щодо частот дискретизації відносяться до приладів з внутрішнім накопичувачем даних. Однак вдосконалені сейсмометри оснащені більшим обся­гом пам’яті, та мають доступ до великих мережевих даних, таких як хмарні сервіси даних, і, таким чином, можуть підтримувати частоту дискретизації, яка пе­ревищує номінальний параметр специфікації. Це дозволяє більш точно аналізувати дані та проводити сейсмічні дослідження.

Інформація про час і місцезнаходження.

Сейсмічні сигнали мають відношення лише до кон­кретного місця та часу вимірювання. Стандартом для кожного сейсмічного приладу є наявність даних із мітками часу з відомим глобальним розташуван­ням або положенням. Вимогою до кожного сейсміч­ного приладу є можливість фіксувати своє місцезна­ходження для кожного запису за допомогою вве­дення користувачем вручну або через пристрій чи службу GPS. Сучасні сейсмометри також мають або вбудований годинник реального часу, або можуть синхронізуватися з точним еталонним часом, на­приклад, через мережевий сервер протоколу часу.

Формат вихідних даних.

Існує два відомі фор­мати даних, які використовуються сейсмічними ін­струментами в усьому світі: SEG-Y і SEED. Формат SEG-Y – це відкритий стандарт, розроблений Това­риством дослідницьких геофізиків (SEG) для оброб­ки геофізичних даних, таких як тривимірні сейсмічні сигнали . Кожен запис містить мітки часу, інтер­вали вибірки та розташування в координатах фак­тичного вимірювання.

Варто зазначити, що існує різноманітне про­грамне забезпечення з відкритим вихідним кодом для сейсмічного аналізу, яке використовує формат SEG-Y, але більшість, як правило, не дотримується точних специфікацій. Формат стандарту для обміну даними землетрусів SEED розроблений для просто­ти та точності обміну необробленими сейсмічними даними між установами та між приладами. Хоча він в основному використовується для архівування сейс­мічних записів, різні версії SEED, такі як miniSEED і SEED баз даних використовуються для аналізу та обробки даних.

Формат miniSEED містить лише дані про хвилі, тоді як формат SEED без даних містить інформацію про сейсмічний прилад і станцію. Сучасні зміни в традиційній конструкції сейсмометрів спрямовані на швидке розгортання та впровадження сейсмічних мереж, особливо для міських і структурних станціймоніторингу. Сучасні дистанційні прилади повинні відповідати поточним інструкціям щодо приладів, щоб вимірювання сейсмічних сигналів відповідали встановленим стандартам даних. Однак вартість і розмір реалізації повинні бути значно меншими.

Використання невеликих геофонів і MEMS-акселерометрів як сенсорів руху землі в поєднанні з ви­сокопродуктивним АЦП і цифровим сигнальним процесором DSP є, на погляд авторів, оптимальним рішенням . Основним компонентом збору сейс­мічних даних є АЦП. Традиційно така система збору даних, яка є польовою, містить порозрядний АЦП з підсилювачем, рис. 8.

Слід відзначити, що дискретна реалізація попе­реднього підсилювача PA, фільтра низьких частот, фільтра високих частот, режекторного фільтра NF, фільтр захисту від накладання спектрів AA і підси­лювача IFP сприятиме досить великому системному шуму та додасть споживання електроенергії. Вико­ристання мультиплексора додає перехресні пере­шкоди та гармонійні спотворення. Найважливішим є те, що похибка квантування АЦП обмежує динаміч­ний діапазон і роздільну здатність системи.

Таким чином, краще проєктувати таку систему на базі альтернативної архітектури з іншим типом АЦП, наприклад, сигма-дельта АЦП. Сигма-дельта АЦП зменшує похибку квантування, притаманну пороз- рядному АЦП, і призводить до вищої роздільної здатності та більшого динамічного діапазону. З су­часними сигма-дельта АЦП не потрібні дискретні фільтри. Сигма-дельта АЦП містить настроювані цифрові фільтри, які виконують функції традиційно­го сигнального ланцюга. Це ефективно знижує рі­вень системного шуму. Крім того, прецизійні сигма-дельта АЦП високого класу мають декілька каналів із принаймні 24-розрядною роздільною здатністю. Су­часна схема вимірювального каналу на основі сиг­ма-дельта АЦП для сейсмічних сенсорів наведена на рис. 9.

Рис. 8. Структурна схема традиційної системи збору даних

Така схема реалізована на базі ІМС трьохоснихMEMS-акселерометрів з вбудованим 20-розряд- ним АЦП, який можна підключити безпосередньо до процесора. Недорогі компактні геофони сприй­мають лише один сигнал із резонансною частотою, як правило, вищою за 4.5 Гц і чутливістю понад 25 В/м/с. Тривісне розташування дозволяє об’єднати три подібні одноканальні сейсмоприймачі в тривіс­ний наземний сенсор. Розширювач періоду потрі­бен для розширення смуги пропускання сейсмо­приймача в область нижчих частот для досягнення стандартних характеристик приладу широкосмуго­вих сенсорів. Якщо він призначений для роботи з одним джерелом живлення, розширювач періоду виконує функцію підсилювача, а також зміщує дво- полярний вхідний сигнал.

Власна частотна характеристика MEMS-акселерометрів робить їх вразливими до дрейфу зсуву та високочастотного шуму. Смугові фільтри покра­щують сейсмічний сигнал прискорення в заданому частотному діапазоні. Для подовжувача періоду гео­фона і смугового фільтра акселерометра потрібні прецизійні операційні підсилювачі з низьким рівнем шуму, низькою напругою зміщення та низьким вхід­ним струмом зсуву.

Опорна напруга відповідає за діапазон АЦП і за коливання вихідного сигналу розширювача періоду. Рівень опорної напруги має враховувати коливання напруги трьох сигналів прискорення, якщо викори­стовується сенсор з аналоговим виходом. Необхід­но, щоб опорна напруга мала низький температур­ний дрейф, особливо для зовнішньої установки в умовах від 0 до 50 °C.

Джерело живлення сейсмічного сенсора може забезпечуватися від перетворювача постійного струму, наприклад, у будівлях і станціях, або від ба­тареї для віддалених і польових сейсмосенсорів. У випадку застосування джерела постійного струмувикористовуються стабілізатори з низьким рівнем шуму типу LDO. Для виробів з живленням від акуму­лятора потрібен зарядний пристрій з контролером заряду для підтримки роботи приладу протягом тривалого часу без обслуговування. Крім того, ба­жано, щоб такий прилад був здатний збирати енер­гію з легкодоступних джерел, таких як сонячна або теплова енергія. Для цього можна використати схе­му, яка відстежує точки максимальної потужності та режими гістерезису, щоб забезпечити найбільшу ефективність передачі енергії.

Шестиканальний сигма-дельта АЦП приймає три сигнали швидкості каналу від розширювача періоду та ще три сигнали прискорення, якщо використову­ється аналоговий вихідний MEMS-акселерометр. Кожен сигнал прискорення та швидкості має бути ві­дібраний із частотою дискретизації щонайменше 1.2 кГц. Аналіз сейсмічних сигналів сприяє пере- дискретизації кожного каналу. Таким чином, частота дискретизації АЦП повинна бути набагато вищою за 1.2 кГц. Сигма-дельта АЦП із можливістю одночас­ної дискретизації усуває потребу у підвищенні ча­стоти дискретизації.

У такій системі процесор виконує функції реєст­ратора даних, який перетворює та зберігає сейсміч­ні дані з усіх каналів у стандартному форматі SEED або SEG-Y і надсилає їх у віддалений обчислюваль­ний центр. Оскільки ця система має невисокі вимоги до обробки даних, можна використовувати мікро- контролер малої потужності типу ARM® Cortex®-M4 із наднизьким енергоспоживанням, рекомендова­ний для додатків Інтернету речей. В режимі низького споживання його струм становить 650 нА, у режимі сну – 200 нА.

Для автономних приладів із вбудованим аналі­зом даних процесор DSP обчислює сейсмічні харак­теристики та інші параметри, наприклад, індикатористану будівлі в режимі моніторингу. Аналіз сейсміч­них даних вимагає обчислення різних математичних і статистичних функцій. Наприклад, для обчислення сейсмічної інтенсивності потрібні логарифмічні функції та вікно пікового виявлення для прискорення та швидкості. Крім того, час обробки має бути до­статньо малим для виконання безперервної вибірки та обробки даних. Дані про місцезнаходження при­ладу можна отримати з модуля GPS або встановити вручну під час розгортання системи моніторингу.

Для даних часу недорогий DSP може використо­вувати або свій внутрішній периферійний пристрій RTC, або мережний NTP-протокол. Існує кілька варі­антів інтерфейсу даних. Прилад може використову­вати промисловий RS-485 для дротового зв’язку, особливо всередині будівель, або інтерфейс Ether­net для підключення пристрою до існуючої мережі передачі даних. Для бездротового зв’язку прилад може використовувати пристрої Wi-Fi або SmartMesh® IP33 для повної надійності даних у ди­намічному середовищі .

Надійність зібраних сейсмічних даних підвищу­ється, оскільки збільшується кількість сейсмічних сенсорів, розміщених у різних місцях. З сейсмічних даних можна отримати багато інформації, яка є ко­рисною для широкого спектру застосувань, таких як моніторинг стану конструкцій, геофізичні дослід­ження, розвідка нафти та навіть промислова та по­бутова безпека. Далі розглянемо три поширені за­стосування мереж сейсмічних сенсорів.

Розподілені сейсмічні мережі.

Засоби дослід­жень у вулканології та сейсмології потребують роз­гортання сейсмічних сенсорів на складній і іноді не­безпечній місцевості . Для моніторингу внутрі­шніх процесів у вулканах необхідно відстежувати рух землі в кількох точках. Ці місця можуть бути небез­печними після певних фаз вулканічної активності, що може призвести до виходу зі строю сейсмічного сенсору. Недорогі сейсмічні сенсори малої потуж­ності дають можливість зменшать витрати на до­слідження та водночас залишаються активними протягом тривалого часу. Ще одне подібне застосу­вання – це характеристика руху плити, яка вимагає великої кількості сейсмічних сенсорів, розташова­них уздовж лінії розлому.

Система раннього попередження про зем­летрус.

S-хвилі та поверхневі хвилі, які є більш руй­нівними типами сейсмічних хвиль і які є частиною землетрусу, поширюються повільніше, ніж найменш руйнівна P-хвиля. Таким чином, можливо запрова­дити систему раннього попередження землетрусів шляхом виявлення ранніх ознак виникнення цих хвиль. Сейсмічні системи, як правило, мають корот­кий час для запобігання руйнівним наслідкам від землетрусу.

Житлові та промислові споруди, завдяки своє­часному попередженню, зможуть відключити елек­тричні системи та газопроводи за мить до початку інтенсивних поштовхів землі. Використання мережі сейсмічних сенсорів, розгорнутої в кількох місцях навколо захищеної території, допоможе збільшити відповідний час реакції. Крім того, будуть зведені до мінімуму помилкові тривоги, спричинені неземлетрусними джерелами. На рис. 10 наведено можливе налаштування системи раннього попередження про землетрус, яка захищає певну територію чи спору­ду.

Час відгуку системи раннього попередження пропорційний радіальній відстані сейсмічного сен­сора від захищеної конструкції відповідно до рівнян­ня (5). Враховуючи, що P-хвилі поширюються зі швидкістю 5.6 км/с, а S-хвилі руху зі швидкістю 3.2 км/с, можна підрахувати, що одна секунда часу від­гуку додається на кожні 7.51 км відстані сейсмічного сенсора від захищеної зони. Крім того, розміщення кількох сейсмічних сенсорів із меншими інтервала­ми забезпечить кращу роздільну здатність за часом відгуку. Рівняння (5) показує залежність часу відгуку системи раннього попередження та радіальної від­стані сейсмічного сенсора від зони захисту.

d_radial= t_response х (7.51 км/с),                  (5)

де d_radial – радіальна відстань сейсмічного сенсора від зони захисту, t_response – дозволений час відгуку в секундах.

Моніторинг стану будівлі. Сейсмічна безпека бу­дівель може бути покращена шляхом моніторингу та моделюванням його реакції за допомогою приму­сових вібраційних випробувань. Встановлення сейс­мічних сенсорів у будівлі допоможе в оцінці збитку після землетрусу, та його відновленні. У випадках масштабних пошкоджень широко розповсюджена мережа сейсмічних сенсорів може виявити струк­турно пошкоджені ділянки, тим самим зменшуючи ризик і вартість візуального огляду. Дослідження 32 сейсмічних сенсорі на основі акселерометрів силь­ного руху було виконано на базі 20-поверхової ста­левої будівлі MRF Atwood. Сенсори розміщалися на 10 рівнях для точного моніторингу структурного ста­ну будівлі. Результати таких досліджень наведені в .

ВИСНОВКИ

Мережі сейсмічних сенсорів мають широкий спектр застосувань у промислових технологіях, сейсмологічних дослідженнях і моніторингу стану різних конструкцій. Поширений попит на їх застосу­вання змінив вимоги до сенсорів і систем сейсмо­метрів на користь віддалених систем з низькими експлуатаційними витратами. Сучасна недорога технологія зондування землі здатна проводити ви­мірювання на рівні з традиційними інструментами. Використовуючи широкий спектр сучасних ІМС від кращих світових виробників, можна реалізувати сенсорні пристрої та системи для різних застосу­вань сейсмічного зондування. Сейсмічні хвилі від руху транспортних засобів і антропогенних збурень, таких як події в шахтах, або в умовах бойових дій, які викликають масштабні пошкодження складних ін- фраструктурних об’єктів – електростанцій, проми­слових будівель, нафтопереробних заводів і т. і., мо­жуть бути виявлені і навіть прогнозовані широко розповсюдженою мережею сейсмічних сенсорів, тим самим зменшуючи ризик персоналу і знижуючи вартість візуального огляду таких об’єктів.