Повышение разрешения сейсмических сенсоров на основе MEMS-датчиков для систем раннего предупреждения

В конце ноября 2021 года в журнале Sensors была опубликована научная статья, описывающая прорывной подход к использованию микроэлектромеханических (MEMS) акселерометров в сейсмологии. Исследователи предложили решение ключевой проблемы недорогих датчиков — их относительно низкой разрешающей способности — для создания эффективных и экономичных систем интенсивного мониторинга сейсмической активности.

Плотность сетей наблюдения является критическим фактором для систем раннего предупреждения о землетрясениях (EEW) и быстрого определения параметров сотрясений. Традиционные широкополосные сейсмометры обеспечивают высокую точность, но их высокая стоимость препятствует созданию сверхплотных сетей. MEMS-датчики, напротив, отличаются крайне низкой ценой, малым энергопотреблением и компактными размерами, но уступают в чувствительности.

Авторы разработки, представляющие различные научные учреждения, применили метод корреляционного усреднения сигналов от нескольких недорогих цифровых MEMS-акселерометров, работающих параллельно. В их установке использовалось восемь датчиков, данные с которых синхронизированно обрабатывались. Теоретически, усреднение сигналов с N некоррелированных сенсоров позволяет повысить соотношение сигнал/шум пропорционально корню квадратному из N.

Экспериментальные результаты подтвердили теорию: среднеквадратичный уровень шума инструмента снизился с 0.096 см/с² для одиночного акселерометра до 0.034 см/с² в полосе частот 0.1–20 Гц при использовании восьми датчиков. Динамический диапазон разработанного прибора превысил 90 дБ. Это позволяет системе уверенно регистрировать сигналы от землетрясений магнитудой от M2.2 до M5.1 на расстоянии до 200 км от эпицентра, что ранее было недоступно для одиночных низкобюджетных MEMS-сенсоров.

Разработанный прототип построен на базе высокопроизводительного 32-битного ARM-процессора под управлением ОС Linux и оснащен накопителем на SD-карте, способным хранить данные непрерывной регистрации в течение 12 месяцев. Такие устройства могут быть легко развернуты не только в рамках специализированных сейсмических сетей, но и для мониторинга состояния зданий, мостов и оползневых зон.