TWI557695B - 地震警告系統 - Google Patents

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TWI557695B
TWI557695B TW100147138A TW100147138A TWI557695B TW I557695 B TWI557695 B TW I557695B TW 100147138 A TW100147138 A TW 100147138A TW 100147138 A TW100147138 A TW 100147138A TW I557695 B TWI557695 B TW I557695B
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麥克 普萊斯
吉爾德 沃曼
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地震警報系統股份有限公司
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Description

地震警告系統
本案大致關係於地震的檢測及警告。尤其，本案關係於決定地震強度，而不是評估震級，及以單一站台評估震央位置，及降低在感應信號中之雜訊。
地震警告系統(EWS)取決於地震地表移動的快速檢測及特徵化，以在發生有害振動之前提出警告。多數現今EWS係被設計以藉由感應P-波的到達檢測地震的開始，及分析P-波以經由在P-波的部份特性及歷史地震震級間之經驗關係式評估發生震波的震級。在幾個站台之P-波到達時間係用以評估震波的震央。評估的震級及震央然後使用於震級、震央距離及地表移動強度間之經驗關係式，評估迫近地表移動的強度。警告P-波為主EWS的數量可以設置為成比例於離開震央的距離。經驗法則為每8公里1秒。
此技術造成在P-波的震級上的評估與來自該震級的強度間之不確定性的倍數。另外，在地震警告中時間為一要點，且此兩步驟的評估不必要地增加了計算時間。在評估中的量測不確定性典型並不會隨著評估本身一起報導，造成不連續反應行為，其中，由於特定臨限已經被超過，所以在評估的地表移動的略微改變造成劇烈之不同反應。例如，假如一警報係用於評估5或在任意規模的更大的強 度才發佈。而不會在評估中報導不確定性，4.999的評估強度的反應係與評估強度5.000的反應有劇烈不同。在後者中，警報被發佈，而前者，則對於很類似地表移動評估，卻沒有發佈警報。然而，如果兩評估強度因為其個別誤差範圍而有統計上無法區分，則對評估的警告或其他反應應沒有不同。
其他EWS取決於在足夠距離處的S-波的檢測，以提供強度震波的警告。警告時間的數量可能更少，因為S-波行進遠較P-波為慢，但強度的評估中之部份不確定性係為在藉由等待直接量測S-波所減少。當似乎震央足夠遠離人口中心時，此方法有用以提供遠端感應器時間以等待S-波並仍能提供足夠有用警告。此一系統警告起源於海岸的墨西哥市地震。
EWS設計係被改變，但可能大致特徵為單獨或網路化。一單獨EWS使用本地感應裝置以有關是否地震已經開始及是否其有足夠強度以調整保護作動的啟始，作出嚴格的本地決定。這些系統可以更快速地對P波的到達作反應，但對於誤判主震(false positive)效能則有疑問。取決於S-波檢測的單獨裝置通常稱為地震開關。這些並未對地震提供警告，因為它們只在嚴重震動開始後反應，但可以啟始動作，以可以防止損壞。
一網路EWS包含地理性分散點，被配置以最小化到接近幾乎震央的地震震央。當地震發生時，P-波向外行首先到達最近的點，其然後，送出一信號給所有其他受影響 點。EWS可以提供的警告時間係較佳優於每一單獨地點可能的警告時間，因為來自最近地點的信號將在P-波到達前到達其他地點。
單獨系統的正規警告時間係由以下公式所給定：twarn-standalone=ts-tp
其中ts為S波由震源到該地點的行進時間，及tp為P波由震源至該地點的行進時間。這些行進時間為：
其中d為震源至該地點的距離，Vs為S波速度，及Vp為P波速度。對於柏森固體(地殼特徵的良好近似法)：
P-波到達第一感應器地點所需的時間為：
其中tF為P波由震源至第一感應器地點的行進時間及dF為由震源至第一感應器地點的距離。網路EWS的警告時間(忽略處理及通訊延遲)為：twarn-EWS=tS-tF
警告的改良在於：
當第一感應器地點係位在震央(dF=0，忽略深度)，則改良比為：改良=2.4
在實際上，2.4數量級的改良通常被認為不可能，因為各種系統延遲及震源深度在上述分析中被忽略。然而，其中可能仍有很顯著改良，這是網路EWS為喜好架構的一理由。
在標準EWS系統中，其中有很多由因素造成的誤判主震源，因素例如演算法錯誤、電雜訊、毀壞、或元件故障，但誤判主震的常見來源為文明雜訊：人造振動，其係很困難區分地震波或混淆地震分析演算法。藉由等待多數地點，減少誤判主震或然率，以報告可靠的交換警告時間。
網路EWS可以可能較單獨EWS提供更好誤判主震效能。為了針對誤判主震的問題，分散警告的決定可以被暫停，直到幾個地點報告地震為止。愈多地點報告地震，則愈有信心於起始昂貴的行動。然而，等待幾個地點所花的時間減少了完成保護動作的可用時間，對保護人命及減少財產上之損失而言，時間是重要的值。然而，如果藉由等 待幾個點報告使可靠度及信任度可以以單一地點達成，則EWS的效能可以加強，協助更接近該2.4改良比。
由其能力所量測之EWS的值係降低傷害並保護財產不受傷害。可靠之EWS將可以避免誤判主震並快速反應以儘可能提供完成保護的足夠時間，並對於曝露於地震危機者提供重大之價值。
通常，在一實施例中，檢測一地震波的方法包含在一量測位置使用至少一感應器檢測地震波的縱波；使用該檢測出縱波的至少一參數，以決定在量測位置之評估最大地表強度，而不必決定地震波的震級；決定地震波的震央；及使用評估最大地表強度及特定位置離開該震央的距離，評估在該特定位置之地震波的強度。
除此之外或以替代方式，此及其他實施例可以包含以下特性之一或多者。
該方法可以包含如果該地震波的強度超出一臨限值，則可發出一警告。發出警告可以包含發出警告為一機率函數。該機率函數可以使用一代表期待值的參數及代表分配偏差的參數加以編碼。
決定震央可以包含使用來自至少一感應器所集合的資訊及在另一量測位置的感應器所集合的資訊，該至少一感應器及在另一量測位置的感應器係為一通訊網路所連接。
使用該檢測縱波的至少一參數以決定在量測位置的評 估最大地表強度可以包含使用在該至少一參數及該最大地表移動間之建立經驗關係式，以決定最大地表移動。所建立經驗關係式可以根據先前地震資料。
該至少一參數可以包含在時域或頻域中之振幅資訊。
該至少一感應器可以包含加速計、GPS感應器、位移感應器或速度感應器。
在一特定位置的地震波的強度評估可以包含使用在最大地表強度與該特定位置離開震央的距離間之建立經驗關係式。所建立的經驗關係式可以根據先前地震資料。該經驗關係式可以：
其中R為離開表面斷層跡線的距離，R0為破裂的長度級常數，A0為岩層的彈性變形極限，及M、N、與K為常數。經驗關係式可以被繪為最大地表移動對於離開震央的距離的衰減曲線。
使用至少一感應器檢測地震波的縱向波可以包含使用第一感應器以取得第一信號及第二感應器以取得第二信號，將第一及第二信號共相關，及只有共相關符合一設定臨限值時，決定該第一與第二信號對應於地震波的縱向波。共相關第一及第二信號包含比較震級、方向向量、及到達 時間。
通常，在一實施例中，用以檢測地震波的系統包含：至少兩感應器，架構以檢測地震波的縱波，與一控制器，該控制器架構以：使用檢出之縱波的至少一參數，以決定評估最大地表強度，而不必決定地震波的震級；決定地震波的震央；及使用該評估最大地表強度與一特定位置離開震央的距離，評估該特定位置的地震波的強度。
除此以外或以替代方式，此及其他實施例可以包含一或更多以下特性。
如果該地震波的強度超出一臨限值，該控制器可以更架構以發出一警告。該控制器可以架構以發出警告成為機率函數。該機率函數可以使用代表期待值的一參數及代表分佈的偏差之一參數加以編碼。
該至少兩感應器可以為分開量測位置，該量測位置可以為一通訊網路所連接。
該控制器可以架構以使用檢出的縱波的至少一參數，以藉由使用在該至少一參數與最大地表移動間之建立經驗關係式，決定在該量測位置的評估最大地表強度，以決定最大地表移動。該建立經驗關係式可以根據前一地震資料。
該至少一參數可以為在時域或頻域中之振幅資訊。
該至少兩感應器的至少一者可以為加速計、GPS感應器、位移感應器、或速度感應器。
該控制器可以被架構以藉由使用最大地表強度與一特 定位置離開震央的距離間之建立經驗關係式，而評估在該特定位置的地震波的強度。該建立經驗關係式可以根據先前地震資料。該經驗關係式可以為：
其中R為離開表面斷層跡線的距離，R0為破裂的長度級常數，A0為岩層的彈性變形極限，及M、N、與K為常數。經驗關係式可以被繪為最大地表移動對於離開震央的距離的衰減曲線。
第一感應器可以被架構以取得第一信號及第二感應器可以架構以取得第二信號，及一控制器可以被架構以共相關第一及第二信號並且如果共相關符合一設定臨限值，則決定第一及第二信號對應於地震波的縱波。該控制器可以架構以藉由比較震級、方向向量、或到達時間而共相關該第一與第二信號。
一種檢測地震波的方法包括在量測位置使用至少兩感應器檢測地震波的縱波，其中該至少兩感應器係分開至少500米；使用該被檢測之縱波的至少一參數，以決定在量測位置的評估最大地表強度；在該量測位置，只使用該至少兩感應器，決定該地震波的震央；及使用該決定評估最 大地表強度及特定位置離開震央距離，評估該特定位置的地震波的強度。
另外或以替代方式，此及其他實施例可以包含一或更多以下特性。
至少兩感應器可以分開少於200米，例如少於100米。
該方法可以更包含如果該地震波的強度超出一臨限值，則發出一警告。發出警告可以包含發出警告作為機率函數。該機率函數可以使用代表期待值的一參數及代表分佈的偏差的一參數加以編碼。
該至少兩感應器可以一硬線通訊網路加以連接。
該至少兩感應器的至少之一可以包含一加速計、GPS感應器、位移感應器、或速度感應器。
使用至少兩感應器檢測地震波的縱波可以包括使用第一感應器以取得第一信號及第二感應器以取得第二信號、共相關該第一與第二信號、及如果共相關符合一設定臨限值，則決定該第一及第二信號對應於地震波的縱波。共相關該第一及第二信號包含比較震級、方向向量、或到達時間。
該至少兩感應器可以相同。
決定震央可以包括決定該震央在經度及緯度上之機率密度函數。該機率密度函數可以使用代表在經度及緯度上的期待值、沿著兩縱軸的偏差及旋轉角的一參數加以編碼。機率密度函數可以使用方位角及傾角資訊加以決定。該 方法可以更包含使用先前有關當地地質學、在該區域的其他量的位置的幾何、及其他量測位置的即時狀態的資訊，調整該機率密度函數。
通常，在一態樣中，一種檢測地震波的系統包括至少兩感應器，架構以檢測地震波的縱波，其中該至少兩感應器係分開少於500米；及一控制器。該控制器被架構以使用檢測縱波的至少一參數，以決定評估最大地表強度；只使用在該量測位置的該至少兩感應器，決定該地震波的震央；及使用該決定評估最大地表強度及特定位置離開震央的距離，評估在該特定位置的地震波的強度。
該至少兩感應器可以分開少於200米，例如分開少於100米。
如果該地震波的強度超出一臨限值，則該控制器可以更架構以發出一警告。該控制器可以被架構以發出一警告成為機率函數。該機率函數可以使用代表期待值的一參數及代表分佈的偏移的一參數加以編碼。
該至少兩感應器可以為硬線通訊網路所連接。
該至少兩感應器至少之一包含加速計、GPS感應器、位移感應器、或速度感應器。
第一感應器可以架構以取得第一信號及第二感應器可以架構以取得第二信號。一控制器可以架構以共相關該第一與第二信號並如果共相關符合一設定臨限值，決定該第一與第二信號對應於地震波的縱波。共相關該第一與第二信號可以包含比較震級、方向向量、或到達時間。
該至少兩感應器可以相同。
該控制器可以架構以藉由決定該震央為在經度及緯度的機率密度函數。該機率密度函數可以使用代表在緯度及經度中之期待值、兩縱波軸的偏差、及旋轉角的一參數加以編碼。該機率密度函數可以使用方位角及傾角資訊加以決定。該控制器更可以架構以使用有關當地地質學、在該區域的其他量測位置的幾何、及其他量測位置的即時狀態的先前資訊，調整該機率密度函數。
通常，在一態樣中，一種檢測地震波的縱波的方法包括：在第一位置，由第一感應器取得第一地面振動信號；在第二位置，由第二感應器取得第二地面振動信號，該第二位置係在第一位置的500米內；共相關該第一及第二信號；及只有該第一及第二信號的共相關符合一設定臨限時，才使用該第一信號或第二信號的至少一參數，以評估該地震波的強度。
另外，或以替代方式，此及其他實施例可以包含一或更多以下特性。
第一感應器或第二感應器之至少之一為加速計、速度感應器、或位移感應器。
共相關該第一及第二信號可以包含計算在該第一與第二信號的方向向量中之差，及符合該設定臨限值可以包含至少少於一設定差。共相關該第一及第二信號可以包含計算該第一及第二信號的交叉相關峰值，及符合該設定臨限可以包括低於一設定值。共相關該第一及第二信號可以包 含計算在該第一及第二信號間之一時間延遲，及符合該設定臨限可包括低於一設定差。共相關該第一及第二信號可以包括計算在第一及第二信號的震級差，及符合該設定臨限可以包括少於一設定差。
該方法可以更包括以超出100Hz的取樣率，例如超出200Hz、例如超出800Hz，來取得第一及第二信號。
該方法更包含如果該地震波的強度係超出一臨限值，則發出一警告。發出該警告可以包括發出該警告為機率函數。該機率函數可以使用代表預值的一參數及代表分佈的偏移的一參數加以編碼。該取得及共相關步驟可以即時連續的方式加以重覆。
該至少兩感應器可以分開低於200米，例如，分開少於100米。
通常，在一態樣中，用以檢測地震波的系統包括：在第一位置的第一感應器，該第一感應器架構以取得第一地面振動信號；在第二位置的第二感應器，該第二感應器架構在該第一位置的500米內並架構以取得第二地面振動信號；及一控制器。該控制器係架構以共相關該第一及第二信號，及只有該第一及第二信號的共相關符合設定臨限時，使用第一信號或第二信號的至少一參數，以評估該地震波的強度。
該第一或第二感應器的至少之一可以為加速計、速度感應器、或位移感應器。
控制器可以被架構以藉由計算第一及第二信號在方向 向量中之差，而共相關該第一及第二信號，及符合該設定臨限可以包含低於一設定差。該控制器可以架構以藉由計算該第一及第二信號的交叉相關峰值，而共相關該第一及第二信號，及符合該設定臨限可以包含低於一設定值。該控制器可以架構以藉由計算第一及第二信號的時間延遲，而共相關該第一及第二信號，及該符合該設定臨限可以包含少於一設定差。該控制器可以架構以藉由計算第一及第二信號的震級差而共相關該第一及第二信號，及符合該設定臨限可以包含少於一設定差。
該第一及第二感應器可以架構以超出100Hz，例如超出200Hz、例如超出800Hz以上之取樣率，取得第一及第二信號。
如果該地震波的強度係超出臨限值，則該控制器可以被架構以發出一警告。該控制器可以架構以發出該警告為機率函數。該機率函數可以使用代表期待值的一參數及代表分佈的偏移的一參數加以編碼。
該等感應器可以被架構以在即時重覆取得步驟，及該控制器可以架構以在即時重覆共相關步驟。
該至少兩感應器可以少於200米，例如分開少於100米。
參考圖1，網路地震警告系統包含幾何分佈點或感應器子系統2，被放置以最小化接近至少一斷層1的地震中 心的距離。所有點係經由通訊網路連接。當地震發生於震央3時，P-波4向外行進首先到達最近點5，其然後送出一信號至所有其他受影響點2。EWS的警告時間可以提供較個別單獨點所可能的警告時間佳，因為來自最近點5的信號將在P-波4到達前，到達其他點2。
參考圖2，地震警告系統由三個子系統構成，包含感應器子系統2、分析子系統35、及通訊子系統10。
感應器子系統2包含控制器及一或更多地面移動感應器，以即時記錄及報告接地移動。該感應器子系統濾出任何雜訊及即時通過正確信號或資料至分析子系統35。
分析子系統35包含至少一電腦或控制器，架構以取得來自感應器子系統2及/或來自通訊子系統10的輸入，以計算震央位置並即時評估及危及地面移動傷害。分析子系統35可以計算當地(即在給定地點)危急地面移動傷害及在區域性距離(即，在該震央的地理區域中的所有位置，包含資料記錄的位置及周圍站台及非站台位置)。再者，分析子系統35被架構以在地面移動及震央位置的評估中之不確定性。評估及不確定性被由分析子系統35傳送至通訊子系統10。
通訊子系統10包含網路，用以發送及接收資料。該通訊子系統10更包含至少一控制器或電腦，架構以編碼評估及及未確定性作為一組參數資料。在較佳實施例中，該參數化採用形式一對值代表在連續分佈函數中之預期及偏差。通訊子系統10如所需傳送參數資料至用以實施區 域地震反應的本地裝置給地理區域中之類似系統的網路，其被組織為窺視網路，或至區域資料中心，其收集及再分佈該資料至地理區域中之類似系統。通訊子系統10也自窺視網路中之其他類似系統或區域資料中心接收資料，並如所需地傳送資料至分析子系統35。
三個子系統係詳細說明如下。
感應器子系統
參考圖3，各個感應器子系統2包含本地控制器7及兩或更多感應裝置6，其能量測在至少一軸的地面振動。在一實施例中，有三軸感應裝置，法線地取向為上、北及東。感應裝置可以為加速計、速度感應器、或位移感應器。在一實施例中，其中有兩感應器，及一感應器係為加速計而另一為高取樣率GPS感應器。在另一實施例中，有三個感應器及兩感應器為加速計及另一感應器為高取樣率GPS感應器。
在感應器子系統2中之感應器係彼此位於500米內，例如彼此於200米內，例如彼此於100米內並藉由一硬接線通訊網路連接在一起。
在控制器7中之信號路徑的主元件的方塊圖係被顯示於圖4中。感應裝置6同步於主時鐘8取樣。對於多通道感應裝置之在通道間之同步化錯誤必須低及在不同取樣裝置的通道間之同步化錯誤必須相稱。在較佳實施例中，通道至通道計時錯誤必須保持低於10ns。在感應裝置間之 計時錯誤必須保持低於1微秒。在一實施例中，感應器以時鐘數位取樣感應器輸出，該等時係在感應器間必須同步。感應器被實體分開(達100米)並計時由處理單元所分配給它們的時鐘。這些時鐘確保在感應器間之取樣時間錯誤係低於1微秒。
來自感應器6的資料係為資料處理子系統9所處理。圖5顯示資料處理子系統(具有感應器)的方塊圖。資料處理子系統9包含本地來源檢測器11、P-波檢測器12、及P-波觸動器13。P-波檢測器12使用來自感應器6的資料以檢測P-波的出現。P-波可以例如藉由查看在一長時間段中的背景雜訊能量平均與於短時間段的相同評估。當短時間值超出長時間值時，P-波檢測器可以發信，一震波已經被檢出。在本地來源檢測器11作用以區分起源於接近地點，即少於1公里，例如在約陣列重心的約5-6基準線長度內的振動時，使得來自最遠端地點的最差情況中的500至600米。本地來源為假設人類而不是震央。P-波檢測器12及本地源檢測器11輸出係由P-波觸動器子系統13中比較，其將拒絕所有P波為P-波檢測器12所報告，如果它們為本地起源的話。如圖2所示，地震P-波起源然後被傳送至通訊子系統10，用以傳送至其他地點或直接至分析子系統35，用以檢測震央及地震波的強度。
本地來源檢測器11的方塊圖係被描繪為圖6中之方塊圖。來自感應裝置6的資料係被即時逐樣品地處理，以藉由兩向量計算器15，計算3維方向向量。如果少於三 通道可用，則計算向量具有對應較少維度。每一向量係為一振幅及三方向餘弦所描述：
其中Z、N及E為來自三感應器通道的資料取樣。
來自感應裝置的資料的交叉相關也為該交叉相關器14所計算。在較佳實施例中，Z通道係被使用為交叉相關，因為其幾乎近相關於初始地震移動(P-波縱垂直波)，但輸入通道的任意組合也可以交叉相關。特定延遲(D)的交叉相關可以由下式找出：
其中Z1及Z2分別為由感應器1及感應器2來之Z通道，mZ1及mZ2係為Z1及Z2的平均值，及i為在輸出緩衝器中之疊代所有取樣。
一完整交叉相關係藉由於maxDelta..0..maxDelta上疊代D加以計算，其中maxDelta為一取樣週期的部份整數倍：
其中N為由感應器資料向量取樣的部份數量。
交叉相關器14的處理方塊的方塊圖係示於圖7中。來自感應裝置的資料串流係通過一(選用)窗函數19。該窗函數19補償使用一有限時間序列感應裝置資料。典型窗函數包含Hamming，Hann，Blackman，及Kaiser。一旦加窗，則資料串流係被傳送過交叉函數20。為了有效處理，交叉相關常式係被寫為頭-尾函數，這大量減少每週期處理量。
交叉相關函數20的輸出係為本身所使用以決定是否有一本地來源及找出在兩感應裝置資料串流間的時間延遲。開始時，如果正規化交叉相關最大值為小於一特定量，例如20db，例如小於10db，例如小於6db，則信號可以被判斷為未相關並拒斥為本地來源。
再者，交叉相關函數20可以被使用以檢測於兩信號間之時間延遲，因為時間延遲出現為在交氼相關的輸出中之最大值。例示垂直加速波形係被顯示為圖8。此波形的P-波部份係被顯示為24，而第一S-波峰係被顯示為23。交叉相關的輸出係被顯示於圖9。最大值25係為視在值並顯示5毫秒的延遲。
交叉相關係被顯示於圖9中。次取樣時間差係可能藉由在交叉相關值間之內插取得。這可以藉由使用多項式內插交叉相關輸出或其他技術加以完成。在圖10中，200Hz交叉相關係被顯示於其最大值在5毫秒與10毫秒之間。 立體樣條內插指明時間延遲峰值至次取樣準確度為7毫秒。
回來參考圖7，在21執行內插於交叉相關器的輸出上，並在22決定最大決定值。
回來參考圖6，最大值係用以決定在兩感應裝置間之到達時間差。因為根據感應器的分開及振波的速度，可能時間延遲差範圍很小，交叉相關可能計算有限數量的延遲。對於200Hz取樣率，D(在交叉相關中之計算時間延遲)的值可以被限制為n=-2，-1，0，1，2其中D=n/Fs。通過交叉相關器的資料長度將需要大於高階內插，以完成較佳時間解析度。
計算時間延遲係被使用以決定是否檢測信號為本地信號及移位該向量資料，以允許進一步之比較。
即，計算時間延遲可以用以決定是否兩感應裝置資料串流落在由感應裝置分開距離及本地P-波速度(標稱為6.2公里每秒)所決定的窄時間窗所決定的窄時間窗內。例如，對於20米的分開距離，3.2毫秒或更大者的時間差可以被標示為假事件。此參數係根據本地P-波速度的較佳評估加以調整。
再者，時間延遲可以用以控制在16之可變時間延遲模組以移位該向量。在一實施例中，時間延遲模組16為一移位暫存器，具有幾接頭。所選擇接頭對應於來自交叉相關器的時間延遲。兩時間延遲模組的輸出在時間上被同步並可以比較。
對於子取樣時間延遲，在相鄰方向向量間之線性內插係被計算：
其中tXC為交叉相關器所計算的時間延遲，αz1(i)為對於感應器1的Z-通道方向餘弦的第i個取樣及ti為第i個時間取樣(取樣週期的倍數)。更智慧內插方案係有可能，但因為資料有些吵雜，所以幾乎不需要。其他方向的餘弦也可以類似地計算。
仍參考圖6，一旦時間同步，則向量在17被比較。比較可以用以決定兩向量串流的方向相關。對於遠方振動源，其距離相較於感應裝置的分開為較大，同時，方向向量應為平行。這是藉由比較兩向量串流的方向餘弦加以決定。如果錯誤的振幅超出最大臨限值，例如10度，則來源被判定為本地。
再者，比較可以決定兩向量串流的震級共相關。如果兩感應裝置係以相同方式安裝，則震源應類似地對準。振動的本地來源似乎影響一感應裝置(最近的)，較不影響另一個。超出一特定百分比的震級差，例如超出15%可以被用以表示本地來源。
本地性檢測器18檢測本地事件，使得它們可以被排 除。與上述方法相符，本地檢測器的輸出為真(表示本地源)，如果：vector_direction_error>direction_threshold OR cross_correlation<xcorr_threshold OR time_delay>time_threshold OR | magn(sensor1)-magn(sensor2)|>magn_threshold OR ratio(magn(sensor1)to magn(sensor2))>magn_threshold OR ratio(magn(sensor2)to magn(sensor1))>magn_threshold OR | time(P-wave 1)-time(P-wave 2)|>time_threshold OR ratio(vertical to horizontal magnitudes)<P2S_threshold
如上所示，如果P-波檢測器檢測出一P波，可以對信號作進一步測試，以濾出雜訊。在一實施例中，因為P-波明確指出震波，它將在信號中具有”觸波”，或在時間點上軟體獨立決定有重組一P波。觸波演算法將典型為短對長項平均振幅的比例。如果在各個感應器中已經檢測出觸波，則時間延遲應不超出某一臨限值，例如對於約100米的基準線長，約50毫秒或更久。
另外，對於被指明為P波的信號，波形可以被分析，以決定是否垂直對水平比為正確。即，P波移動主要為垂直，及S波主要為水平，及地表波可以具有甚至混合(Rayleigh波，其係為多數本地源傳遞)。例如，P2S臨限可以為2，即如果垂直通道不是至少水平通道的2倍，則為本地來源。
使用交叉相關的時間差的準確量測有利於更高取樣率。在較佳實施例中，至少100Hz的取樣率，例如使用至少200Hz。當本地狀況有利(接近斷層、硬岩地質)時，可以 使用愈高取樣率，例如800Hz或1000Hz。人為雜波傾向於包含較地震振動為高的頻率。愈高取樣率使之愈容易檢測人為雜波，否則其出現為假人造波，除非使用主動抗化輸入濾波器。愈高頻取樣降低主動濾波器的成本與失真。
如果向量代表本地原點波，及未檢出P波，則振動應被忽略。即，為上述垂直至水平比、時間延遲及向量共相關的組合所指明之本地源波應被忽略。
來自感應裝置的信號應被良好共相關於來自地震波的振動。如果共相關低，則信號被拒斥。感應裝置必須類似地安裝，以完成對地表振動類似的反應。該系統使用來自所有地震波的振動，以評估可能的共相關程度及調整其比較演算法，以補償在感應裝置反應中之差。這些技術也對電雜訊提供良好拒斥，否則會增加誤判主震。
所述很多技術取決於本地參數的準確評估，例如P波速度。當每一波被檢出及為系統所量測時，這些參數可以經由與在正波分析中之其他地點的比較加以量得。該等參數然後被調整，以改良在評估P波中之系統準確性。
回來參考圖2，在來自本地源的振動已經消除及P波為感應器子系統2所檢測後，來自檢出P波的資料係經由通訊子系統10被送至在EWS中之其他裝置及/或至分析子系統35。
分析子系統
分析子系統35係詳細描述於圖11的資料流程圖中。 分析子系統35具有三元件：(1)P至S關係45，其涉及建立於量測位置(即感應器子系統2的位置)之地震波的P波及在相同位置的觀察最大地表移動間之的一或更多參數間之經驗關係式；(2)本地震央處理元件46，其涉及決定地震波的震央；及(3)D-至S關係式49，其涉及在最大地表移動與離開震央距離間之經驗關係式。
P至S關係
如上所述，P至S關係式涉及建立在量測位置之P波的一或更多參數與在相同位置的觀察最大地表移動間之關係式。此經驗關係式係根據來自大量歷史事件的地震資料，其係為地理區域、深度、來源機制及任何其他必要參數加以分類，或組合檢視。P波參數包含在時域及頻域中之振幅資訊，及在時域或頻域中之P波的其他特性。最大地表移動係被表示為急跳度、加速度、速度、位移、或在寬頻或任何想要頻帶中之頻譜加速。經驗關係式的函數形式可以為線性、對數-線性或任何其他形式。經驗關係式可以為離開來源的距離或其他變數的函數。此關係式稱為P至S關係式。
在一實施例中，資料係由想要區域的大約100個先前地震收集。在震級中之地震間隔係由ML3.0至最大可得波。因為需要高品質地震記錄，所以，在分析中愈新地震係較佳的。此較佳係為在震級之上端的事件的稀少性所限制，及藉由需要部份最大震波將明顯地早於多數的小震波。 這是允許的，因為大震波的較強地表移動在雜訊記錄上較來自小地震的地表移動可見。該資料組係被選擇，使得在各個震級的地震數係大約為常數，以避免由於其大數量而過度加權小震級。
多數地震記錄係被分析用於每一地震，以離開震央的距離、感應器的地點分類、及相對於地震的主成份向量的站台的方位加以分類。後者的分類係只可能用於超出Mw4.0以上等等之地震，因為其中已經計算可靠的矩張量。對於每一記錄，P-波係在時域及頻域加以分析，及來自S-波或表面波的最大地表移動係被記錄。在P-波分析與最大地表移動間之共相關係被計算，及最佳共相關，或最佳共相關的組合場所係被使用以產生經驗式P-至S-關係式。
圖12顯示經驗P-至-S關係式的例子，其中最大地表加速度(PGA)係為對數線性相關於-P波的部份參數。在圖表上各個點係為用於歷史地震的此P-波參數的個別觀察及PGA。實線54係為最符合這些資料的最小平方，及虛線55為此符合的95%的信任區間。圖12顯示在任意單位中等於10的此P-波參數的假想觀察圖例。垂直線56與95%信任線54、55之相交處產生用於評估PGA58的評估PGA57及95%信任區間。
所使用P-波參數或參數組合的選擇係取決於各種因素，包含在部份機制及取向中之變化的參數的堅固性(即，平移地震對隆起地震對陷落地震)，使用參數可以可靠 地完成評估的速度、及在整個有興趣強度範圍上之參數的可用性。在多數基礎層次中，參數的選擇將藉由哪些參數最正共相關於最大地表移動、及展現最小散射，即在地表移動的評估中，得到最小不確定性的參數加以主管。因為單一參數將不能同時完成所有要求，參數的組合可以被使用以組合加權方案，其最大化每一參數的利點。例如，在振幅為主參數可以對於小地表移動展現較少散射，但在佷大地表移動時飽和。相反地，頻率為主參數可能對於大地表移動不會受到飽和，但對於較小地表移動，則有較少之信雜比。在此例子中之適當方案將對於較小評估地表移動之振幅為主參數有較多加權，及對於較大評估對於頻率為主參數有較大加權。
本地震央處理
在部份實施例中，地震波的震央係只藉由來自單一感應器子系統2的資料決定。在其他實施例中，震央係使用來自本地感應器子系統2與透過網路(經由通訊次系統10)通訊的其他站台之資料的組合加以決定。
在部份系統中，單一感應器可以被用以決定震央。在感應器係由兩水平軸構成時，在兩通道上之P-波的第一移動的振幅及符號係被組合正交成份的向量，並決定由感應器至震央的背方向。在一實施例中，使用三軸感應器，及在垂直通道上的P-波的第一動作的振幅及符號被額外地用以決定入射P波的傾角(dip)。該區域的1-D速度模 組係被使用以轉換量得之深入範圍為震央距離。可以以頻率波數的積分，以即時方式加以完成。在一實施例中，速度模型係被用以產生在量測傾角及震央距離間之先前查看表。此技術可以單獨使用(即，只使用一感應器決定震央)或其可以用以加強其他技術，以更準確指出震央位置。
在一實施例中，兩感應器係位於與已知基準距離相同的位置並承載，及第一移動的相對到達時間係經由下式決定後方位角：
其中θ為以徑度表示之方位角，Vp為每秒米的P-波的本地視在速度，及d為以米表示之基準線距離(在較佳實施例中為20至100米)及△t為在兩感應器間之以秒為單位的時間延遲。來自P-波第一移動的量測背方位角承載180度明確度，及由到達時間差的背方位角承載相對基準線承載的對稱明確性。背方向角的兩量測值係被使用以藉由選擇兩量測值的分析而解析明確度，該兩量測值在方位角中係為彼此最接近。當只有一個可使用，則3-D速度模型係被用以由於地震波的折射，而產生用於背方位角的校正表。使用此技術，單一站台可以使用，其具有兩或更多感應器位於其中(即在500米內，例如200米內，例如100米內)，以決定震央-不需要其他站台。
圖13顯示兩感應器位置(S1及S2)，其係為部份距離 d(23)所分開，以接收來自遠端來源的震波。沿著線射路徑21及22到達感應器的震波。圖14為評估的圖表描述，以評估上述之背方位角並根據在圖13之兩感應器的到達時間差的共相關的角度解析準確度。此圖表係用於分開100米的兩感應器。
在一實施例中，Voronoi格係被建立於EWS中之所有操作地點旁，及得知沒有其他地點使用檢測地表移動，以本地化來於該本地Voronoi格內。因為時間進行同時沒有其他站台觸發，所以震央可以存在的點的軌跡可能減少於第一站台以觸發。此需要有關網路健康狀態及所有有關具有檢測地表移動的周遭站台的狀態的持續資訊。只要一或更多站台的狀態改變，此資訊係為通訊子系統10所非同步地提供。如果鄰近站台係被報告為故障及用於該初始站台的Voronoi被即時再計算及可能震央的軌跡被更新，以反映此改變。
在一實施例中，本地震央處理元件46本地保持在其Voronoi格及其相關格內的地質圖。此包含固定資料，例如已知斷層線及其相關評估地震危險的位置，及例如在Voronoi格內的所有最近地震的位置。這些資料係被組合以方位角及傾角資料與Voronoi格本身以決定在震央的大致位置之二維(緯度/經度)的機率分佈。如果一或更多相鄰站台報告地震波，則此資訊係被加入於本地震央評估，並經由通訊子系統通訊至其他網路。
D-至S-關係式
一分開經驗關係式係建立以描述最大地表移動的變化相對於離開震源的距離。此經驗關係式係根據來自大量歷史波的地震資料，其係為地理區域、深度、來源機制及任何其他參數所分類，如果關係式被認為強烈地取決於這些參數。如果在這些參數的關係式中之變化相較於在資料中之分散後小，則地震波係以聚集方式檢測，以到達一均勻D-至S-關係式。該最大地表移動係被以上述對P-波經驗關係式的相同項。距離是由震源、震央、斷層平面或表面斷層跡線所描述。經驗關係式可以採任何函數形式，但必須在零的距離明確。該關係式被稱為D-至S-關係式。
在較佳實施例中，D-至S-關係式遵循以下理論函數形式：
其中R為離開表面斷跡線的距離，R0為斷裂的長度級的常數，A0為岩層的彈性變形限制，及M、N與K為常數。M、N及K的值的決定是藉由分析相同地表移動資料組被使用於P-至S關係式。此產生一系列曲線，其係依據後斷裂長度R0加以改變。A為理論純彈性媒體的振幅，其理論上並不限於R=0。因為岩層具有彈性變形限制 ，所以，最終振幅必須為飽和常數C所定規格。這得到在離開來源由零到無限大的所有距離的有限解答。
圖15顯示在圖12中之假想觀察如何被用以評估離開該源的所有距離的地表移動。如果用於圖12之假想站台係被假定離開來源3公里，則來自圖12之具有95%信任間距的評估PGA係被描述在圖13的具有開口符號的錯誤線69。D-至-S關係式係被規格以配合評估PGA70%，及95%信任曲線被規格化以配合在PGA評估71中之95%的錯誤線。一旦曲線被正確地定規，則在任意其他距離的評估地表移動可以由該圖表讀出。在此例子中，在離開來源62有100公里的站台的PGA係被以具有95%信任區間64的63加以評估。
透過分析子系統的資料串流
回到參考圖11，來自感應器子系統2的資料係被即時串流並饋入P-至-S關係式45中及本地震央處理46中。來自通訊子系統10的非同步資料也在其到達時被饋入本地震央處理。P-至-S關係式45在本地位置47產生始動最大地表移動的機率分佈，及本地震央處理產生震央位置48的機率分佈。如果震央位置係已經由網路來的資料評估，此資料被由通訊子系統10傳送並蓋過本地震央結果，並可以比較本地結果，以評估不確定性。這些機率係被個別報告至通訊子系統10，及其資訊係被組合並饋入D-至-S關係式49中，這產生始動最大地表動作50。此資料也報告給通訊子系統10。
由於P-至-S關係式及震央評估的評估不確定性係使用標準誤差傳遞法被傳遞通過來自D-至-S關係式的區域，這並未在此詳細討論。在區域曲線中之最終總不確定性係被傳送至通訊子系統10。
通訊子系統
回到圖2，通訊子系統10係負責提供在感應器子系統2間與在感應器子系統2與分析子系統35間之通訊。
因此，本地及區域地表移動的評估位置及震央位置係被傳送至通訊子系統10，其如所需地分佈至本地EWS、至窺視地點的區域網路或至再分佈的主資料中心至區域地點。通訊子系統10也自其他窺視地點或主資料中心接收資料，並如所需地傳送資料至分析子系統35，用以併入該本地分析。
在本地及區域地表移動中及在震央位置之不確定性係被連續地記錄及傳遞於分析子系統35內。不確定性係由來自感應器子系統2與通訊子系統10的輸入資料的品質與一致性與在P-波與地表移動45的預定關係的固有不確定性的組合所導出。不確定性係由分析子系統35傳送至通訊子系統10，其將之編碼為一組用以傳輸於網路上的參數值。
通訊子系統10可以包含系統用以傳送及接收資料(例如乙太、無線等等)；一模組，用以鑑定執行通訊的裝置；一系統，用以保護這些通訊不受干擾(例如加密)；一系 統，用以確保所有通訊被成功地完成(協定)；及/或一系統，以檢測在資料通訊中之錯誤(ECC)。
評估強度的可能代表
通訊子系統10係被架構以通訊震央及地表移動的可能分佈為一表或片狀線性函數，其具有任意量之資料點。片狀線性似近法的一可能實施例為簡單地在每一點的機率傳輸至機率函數的想要解析度，即，作為可能性的光域。這是計算上簡單，但傳送上昂貴。在較佳實施例中，可能性分佈函數係被近似為高斯分佈，並使用兩參數值(“度量”)加以編碼，一代表期待值(ev)及一代表分佈偏移值(dev)。在較佳實施例中，參數ev編碼分佈的手法，及參數dev編碼標準偏差。其他代表法也可能：dev可以編碼變數，全寬-在半最大值、95%的信任區間、或任何其他偏差。在較佳實施例中，啟動最大地表移動的可能分佈係為該函數所近似。
其中PGM代表以線性或對數形式表示。
其他可能性函數也是可能。Cauchy分佈遵循形式，其中ev編碼該位置dev編碼規格
具有相同編碼的拉氏分佈遵循以下形式
非連續分佈函數也可接受。例如，如果最大及最小可能地表移動為已知(mn及mx)，及該區間的地表移動強度的似然性係被判斷為等於(或不等於已知，以產生更理想可能分佈)，均勻分佈函數應用：
在去產生情況中，如果只有一評估最大地表移動為已知及沒有不確定性可用，則可能性變成Dirac delta函數：
其中，系統以相同於現行技藝的方式動作，即作為二進制警告。
當編碼震央位置時，相同機率函數係被擴充二維。在實施為高斯分佈時，這造成四個度量：evlat，evlon，devlat及devlon。對於多變量高斯分佈，這並不常如此。一般化形式需要dev可以被表示為協方差矩陣。在此實施法中，dev的成份被標示為devlat，lon，devlon，lon，devlon，lat及devlat，lat。此形式係被更有效地表示為沿著主軸的偏移加上旋轉角度：dev1、dev2及θ。後者之形式 為較佳實施例。
通訊
通訊子系統10促成於分析子系統與示於圖1之更廣EWS間之非同步通訊。通訊子系統10因此包含至少一單一裝置，以解譯地震警告並將之轉換為適當反應。在一實施法中，更廣EWS也包括一區域資料中心，其經由網際網路接收並分配資料至在地理上分佈於有興趣區域的相同系統。更廣EWS可以採相同系統的對等式網路的形式，而沒有區域資料中心。
除了在本地系統、區域網路及回應裝置間實施通訊協定外，通訊子系統10係負責編碼地表移動及震央位置及其個別不確定性的評估，用以透過網路的有效通訊。
在一實施例中，當計算強度已到達某臨限位準時，發出一警告。
2‧‧‧感應器子系統
10‧‧‧通訊子系統
35‧‧‧分析子系統
6‧‧‧感應裝置
7‧‧‧本地控制器
8‧‧‧主時鐘
9‧‧‧資料處理子系統
11‧‧‧本地源檢測器
12‧‧‧P-波檢測器
13‧‧‧P-波觸動器
14‧‧‧交叉相關器
15‧‧‧向量計算器
16‧‧‧可變時間延遲
17‧‧‧向量比較器
18‧‧‧本地檢測器
19‧‧‧窗函數
20‧‧‧交叉相關器
21‧‧‧最大值內插器
22‧‧‧最大值檢測器
45‧‧‧P-至-S關係
46‧‧‧本地震央處理
47‧‧‧本地位置
48‧‧‧震央位置
49‧‧‧D-至-S關係
50‧‧‧最大地表移動
本發明的新穎特性係更明確描述於以下之申請專利範圍。本發明之特性及優點的較佳了解將參考以下的詳細說明及例示實施例加以取得，實施例中利用本發明之原理，其中：
圖1描述具有數個感應器點的區域地震警告系統(EWS)。
圖2為地震警告系統的方塊圖。
圖3為單一感應器點裝置的系統圖。
圖4為感應器點裝置的信號路徑方塊圖。
圖5為感應器點裝置的感應器資料處理子系統的方塊圖。
圖6為感應器點裝置的本地來源檢測子系統的資料流程圖。
圖7為交叉相關處理的方塊圖。
圖8為具有P-波醒目的垂直通道加速記錄。
圖9顯示來自2感應器的圖8的交叉相關的輸出。
圖10顯示200Hz交叉相關顯示7.5ms時間延遲的樣條內插。
圖11顯示在分析子系統內的輸入的處理及輸出的產生之流程圖。
圖12代表在給定位置之假想P-波特性及地面動作的強度間之例示經驗關係圖。
圖13顯示由到達時間決定方位角的例子。
圖14為方位角解析度及時間差的圖表。
圖15為一圖表，代表在單一點的始動地面動作的不確定性評估，及經驗地面動作曲線成為由此資料導出之假想中心的函數。
35‧‧‧分析子系統
45‧‧‧P-至-S關係
46‧‧‧本地震央處理
47‧‧‧本地位置
48‧‧‧震央位置
49‧‧‧D-至-S關係
50‧‧‧最大地表移動

Claims (22)

  1. 一種檢測地震波的縱波的方法，包含：由在第一位置的第一感應器取得第一地表振動信號；由在第二位置的第二感應器取得第二地表振動信號，該第二位置係在第一位置500米內；比較該第一及第二信號；如果該第一與該第二信號間的差符合一設定臨限值，則檢測一地震波；及只有該第一及第二信號的該差符合該設定臨限值，使用該第一信號或第二信號的至少一參數，評估該地震波的強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一感應器或第二感應器的至少之一係為加速計、速度感應器、或位移感應器。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中比較該第一及第二信號包含計算該第一及第二信號於方向向量中之差，及其中符合該設定臨限值包含少於一設定差。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中比較該第一及第二信號包含計算該第一及第二信號的交叉相關最大值，及其中符合該設定臨限值包含低於一設定值。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中比較該第一及第二信號包含計算於該第一及第二信號間之時間延遲，及其中符合該設定臨限值包含少於一設定差。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中比較 該第一及第二信號包含計算該第一及第二信號於震級之差，及其中符合該設定臨限值包含少於一設定差。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，更包含以超出100Hz的取樣率，取得第一及第二信號。
  8. 如申請專利範圍第1或2所述之方法，更包含如果該地震波的該強度超出一臨限值，則發出一警告。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中發出該警告包含發出該警告為機率函數。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該機率函數係使用代表期待值的一參數及代表該分佈的偏差的一參數加以編碼。
  11. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中取得及比較步驟係以即時方式連續重覆。
  12. 一種檢測地震波的系統，包含：在第一位置的第一感應器，該第一感應器架構以取得第一地表振動信號；在第二位置的第二感應器，該第二位置係在該第一位置的500米內並架構以取得第二地表振動信號；及一控制器，該控制器架構以：共相關該第一及第二信號；如果該第一與該第二信號的共相關符合一設定臨限值，則檢測一地震波；及只有該第一及第二信號的該共相關符合該設定臨限值時，使用該第一信號或該第二信號的至少一參數，評估 地震波的強度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該第一或第二感應器之至少之一為加速計、速度感應器、或位移感應器。
  14. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該控制器係藉由計算該第一及第二信號的方向向量中之差，共相關該第一及第二信號，及其中符合該設定臨限值包含少於一設定差。
  15. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該控制器係架構以藉由計算該第一及第二信號的交叉相關最大值，而共相關該第一及第二信號，及其中符合該設定臨限值包含低於一設定值。
  16. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該控制器係架構以藉由計算該第一及第二信號間的時間延遲，而共相關該第一及第二信號，及其中符合該設定臨限值包含低於一設定差。
  17. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該控制器係被架構以藉由計算該第一及第二信號之震級之差，而共相關該第一及第二信號，及其中符合該設定臨限值包含少於一設定差。
  18. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該第一及第二感應器係被架構以超出100Hz的取樣率取得該第一及第二信號。
  19. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中 該控制器係更架構以如果該地震波的該強度超出臨限值，則發出一警告。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之系統，其中該控制器係架構以發出該警告為機率函數。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之系統，其中該機率函數使用代表期待值的一參數及代表該分佈的偏差的一參數加以編碼。
  22. 如申請專利範圍第12或13項所述之系統，其中該等感應器係被架構以即時方式重覆該取得步驟及該控制器被架構以即時重覆該共相關步驟。
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