1. 引言

地震波不僅指地震產生的運動，而是施加在地面上的任何力，即便是人在地面上走路那么小的力，都可能產生的擾動。地震波檢測相關應用屬于典型的工業級精密數據采集系統，并且需要兼顧低功耗和超低噪聲。

從地震波數據中可以提取大量信息，通過大量部署節點設備并將其互連，從各節點設備提取出來的大量數據經過科學分析或建模有著廣泛的應用，例如地球物理研究，能源勘探，建筑或工程結構的健康監測等領域。下面介紹幾種常見應用：

1.1.地震預警系統

地震是由構造板塊的運動和碰撞引發的事件。碰撞產生的能量以地震波的形式在地球內部表面周圍傳播。這些波有多個方向，分為體波和面波。

體波有兩種類型：縱波（P波）和橫波（S波）。P波以一系列壓縮波和稀疏波的形式沿傳播方向行進。由于其傳播的性質， P波呈球面發散。雖然其波能衰減在所有類型的波中是最大的，但其速度最快，介于 5 km/s 至 8 km/s 之間。快速能量衰減也使其成為破壞性最小的一類波。 P波不僅可以通過表面傳播，還可以通過水或流體傳播。S波也稱為剪切波，緊隨P波之后到達。其沿地球表面傳播的速度約為P波的60%至70%。此類波垂直于傳播方向和地球表面行進。 S波的能量衰減較少，比P波更具破壞性。P波和S波統稱為體波。

面波比體波慢10%，但破壞力最大。值得注意的是，地震波的傳播速度與其經過的土壤類型有很大關系。面波由瑞利波和勒夫波組成。瑞利波是一種以紋波形式在地表附近傳播的面波，它會引起順行（沿傳播方向）或逆行（與傳播方向相反）旋轉。由于其運動性質，它也被稱為地滾波。勒夫波的行進方向與傳播方向正交，但與地球表面平行。

S波和面波是更具破壞性的地震波，但其傳播速度比破壞性最小的P波要慢。利用這種特征可以實現一種檢測地震早期跡象的地震預警系統。這樣，所有類型的系統都有一個很短的時間來作出響應，防止地震造成重大破壞。在劇烈地面震動發生前的一刻，住宅和商業建筑將能夠關閉電力系統和天然氣管道。使用保護區域周圍多個位置部署的地震傳感器網絡，將有助于增加允許的反應時間。另外，非地震源引起的誤報也會降到最低。

1.2.遠程地震網絡

火山學和地震學研究將地震傳感器部署在險峻（有時甚至危險）的地形中。監測火山內部過程需要在多點進行地震動監測。在火山活動的某些階段之后，這些位置可能會變得危險，并使地震傳感器無法取回。低成本、低功耗地震傳感器將會降低研究成本，同時保持很長的使用壽命。另一個類似情況是板塊運動的特征，這也需要沿著斷層線部署大量地震傳感器。

1.3.結構健康監測

結構健康監測應用于工程災害預防和樓宇安全，比如工程地質環境的變化、支護結構體的受力狀況變化，可能在內部產生不同程度的損傷或破裂，甚至誘發災變。利用微震監測技術對一些重大的隧道工程、橋梁等在使用期間進行實時監測，掌握結構內的微破裂前兆、損傷程度等，及時采取應對措施，確保使用期間的營運安全。在損壞的情況下，廣泛分布的地震傳感器網絡可以定位結構損壞區域，從而降低目視檢查的風險和成本。

1.4.能源勘探

地震勘探是地球物理研究和能源勘探的常用方法，其原理是利用人工方法激發的地震波在彈性不同的地層內傳播規律來勘探地下的地質情況。通過節點設備記錄和分析數據特點，能較準確地測定這些界面的深度和形態，判斷地層的巖性，是勘探含油氣構造甚至直接找油的主要物探方法。

在2022年初剛剛結束的兩會上，***總理作政府工作報告，將“能源安全”上升至與“糧食安全”同等重要的戰略高度。持續高質量勘探出新的油氣資源，是保障中國能源安全，實現現代化的關鍵。

2. 方案介紹

2.1. 傳感器

業界常用的傳感器是地震檢波器。它是一種地震動速度傳感器，其重量輕，堅固耐用，不需要任何電源即可工作。現代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵，并被一個線圈包圍。線圈被彈簧懸掛起來，可以在磁體上移動。此運動相對于磁鐵的速度會產生一個輸出電壓信號。檢波器沿著陣列被植入地面，測量地震波從非連續面（如層面）反射回來的時間，如圖1所示。

2.2. 數據采集

要精確測量和分析從地下深層反射回來的微弱地震波信號，對整個數據采集系統的要求極其苛刻。檢波器通常輸出的信號幅度最小只有幾十μV，因此要求信號鏈總均方根噪聲應小于1.0 μV rms。而在施加外界激勵的情況下，信號幅度能達到幾十mV，甚至1~2V，因此要求信號鏈動態范圍達到140dB。另外，由于地震波信號頻率較為豐富，要求信號鏈有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右，同時為避免其諧波分量和有效信號發生混疊，需要信號產生的諧波分量盡可能的小，做到超低失真，因此THD需要優于-120dB。因為地震監測儀器都埋在地表由電池供電且需要長時間工作，因此功耗要控制在20mW以內。

2.3. 信號鏈方案

領慧立芯公司（Legendsemi）最新推出的32位超高分辨率ADC LHA9954，針對地震波檢測信號鏈面臨的挑戰提供了完美的解決方案。該產品擁有卓越的性能：

集成可編程增益放大器：1,2,4,8,16,32,64

集成寬帶數字濾波器：Sinc + 有限脈沖響應 (FIR) + 無限脈沖響應(IIR)（可選）

超低噪聲：135.4dB SNR（250 SPS，PGA = 1）

超低總諧波失真度（THD）：–130dB

極低功耗： 12mW （高分辨率模式），7mW （低功耗模式）

極高共模抑制比（CMRR）：127dB

雙通道多路復用器：第二通道用于自測

3.測試結果及分析

3.1. 典型電路

一種基于LHA9954的典型檢波器前端應用電路如圖2所示，其中LHA9954在雙極性±2.5V模擬電源下工作，它還可以在單極性5V模擬電源下工作。

檢波器輸入信號由差模濾波器（元件C4和R1至R4）和共模濾波器（元件C2、C3和R1、R2）濾波。差模濾波器從輸入信號中去除高頻差模分量，共模濾波器去除兩條輸入引線的共模高頻分量。電阻器R5和R6將信號輸入偏置到中間電源點（地）。對于單電源操作，將偏置設置為低阻抗中間電源點 (AVDD/2=2.5V)。

可選的二極管鉗位保護LHA9954 輸入免受高電平電壓瞬變和過載的影響。如果可能的高電平輸入瞬變和浪涌超過ADC內部ESD二極管的額定值，二極管會提供額外的保護。

LHR3050 5V基準為ADC提供基準。可選的濾波器網絡（R7和C5）可降低帶內參考噪聲，從而提高動態性能。然而，RC濾波器網絡會增加濾波器的穩定時間（從幾秒到幾分鐘），具體取決于電容C5的介電吸收特性。電容C7是強制性的，提供參考輸入的高頻旁路；將C7盡可能靠近LHA9954引腳。電阻器R7（1kΩ）會導致1%的系統增益誤差。多個ADC可以共享一個參考，但如果共享，則為每個ADC使用獨立的參考濾波器。

3.2. 評估板方案

本文信號鏈方案的主要性能，使用如圖3所示的評估板進行測試。

ADC配置及數據顯示和采集使用配套上位機軟件實現，如圖4。

3.3.結果分析

（1）噪聲性能

（2）總諧波失真度

（3）功耗

HR模式功耗對比

LP模式功耗對比

Standby和PowerDown模式對比

4.總結

本文方案中使用的32位高精度ADC LHA9954主要針對精密測量儀器如能源勘探，地震監測，自動化測試設備等領域。該產品擁有100%自主知識產權，核心指標均達到國際先進水平，同時兼具超低功耗，針對我國能源勘探所面臨的挑戰提供了完美的解決方案，打破了國外芯片廠商幾十年的獨家壟斷，為中國能源安全保駕護航。