Especificaciones, malditas especificaciones e instrumentación

Utilizando analogías de la electrónica de consumo para desmitificar las especificaciones sistema sísmicos.

El poder persuasivo de los números se utiliza a menudo para intentar resumir sistemas complejos en cifras simples y comparables. 135dB, 2000V /m/s, 40Vpp: para los sismólogos con conocimientos limitados de electrónica, estas cifras no son un indicador intuitivo de la calidad o el rendimiento de un sistema sísmico. ¿Son mejores los números mayores o menores, o es todo relativo? ¿Acaso importa la especificación?

Por ejemplo, uno pensaría que podría evaluar el rendimiento de un sistema de monitoreo sísmico basándose en el valor de "Sensibilidad" de un sensor. Parecería ser la especificación clave de un detector de terremotos, ¿verdad? Pues no. Sensores son solo una parte de un sistema de registro sísmico, por lo que es necesario analizar cómo interactúan los componentes para obtener una visión completa.

Utilizando tecnología 32 bits para obtener datos 24 bits de calidad.

Además de ser un observatorio sísmico, el SRC es una de las pocas empresas especializadas que fabrican sismógrafos (registradores de datos digitales de alta velocidad que registran voltajes analógicos muy pequeños) diseñados específicamente para registrar terremotos. Los registradores de datos sísmicos modernos utilizan tecnología de 32 bits para sus convertidores analógico-digitales (ADC), pero normalmente solo 24 bits de la salida están libres de ruido, por lo que la información se suele almacenar a esta resolución, lo que también facilita la compresión de datos. La resolución de 24 bits significa que podemos ver señales casi tan pequeñas como una 17 millonésima parte del rango completo.

Para usar una analogía, un sismógrafo puede compararse con una cámara digital con zoom. Imagina tener una cámara de 17 megapíxeles con diferentes lentes: un gran angular te permite capturar un amplio campo de visión, y un zoom te permite ver más detalles, pero solo en una parte de la escena.

La mayoría de los sismógrafos vienen equipados con una entrada de gran angular (con un zoom de x0.125) que permite registrar un rango de 40 voltios (±20V) mediante el convertidor analógico-digital (ADC) 5 voltios. Esto significa que, en teoría, la diferencia mínima detectable entre dos puntos de datos es 2.4 microvoltios. La entrada directa del ADC (con zoom x1) permite visualizar incrementos 300nV, o bien, se puede aumentar la magnificación hasta x64 para observar cambios de voltaje aún menores.

Al igual que en la fotografía digital, no se puede capturar todo lo que se ve en una sola foto; la resolución sigue limitada a 17 megapíxeles. Hay que encontrar un equilibrio entre el nivel de detalle y el campo de visión. Esta es la limitación actual de la tecnología de grabación digital, pero, al igual que un smartphone moderno con múltiples lentes, una grabadora multicanal puede grabar imágenes gran angular y con zoom simultáneamente.

Sensor “Sensibilidad” no significa Sensibilidad

La «sensibilidad» de un sensor sísmico describe su salida de voltaje analógica, que se define en «voltios por metro por segundo» (para sensores de velocidad) o «voltios por g » (para sensores de aceleración). Un sensor también tendrá un voltaje de salida máximo.

Si un sismómetro tiene una sensibilidad 1500V /m/s y una salida máxima de ±20V, la señal máxima que se puede registrar es 13.3mm /s. Esto se conoce como el "nivel de recorte". Se podría alcanzar el mismo nivel de recorte con un sensor 750V /m/s con un nivel de recorte/zoom de ±10V, o aproximadamente 14mm /s con un sensor 350V /m/s con un nivel de recorte/zoom ±5V

Por lo tanto, un sensor 1500 V /m/s no es necesariamente mejor que uno de 350 V /m/s; simplemente significa que su salida se adapta a una lente específica (siguiendo con la analogía de la cámara) para lograr un resultado concreto. Un sensor con una salida de 350 V /m/s puede obtener una imagen recortada similar con un ajuste de zoom adecuado en la grabadora.

Por lo tanto, "Nivel de recorte" y "Sensibilidad" no indican la sensibilidad del sensor. En términos fotográficos, simplemente indican el tamaño máximo que puede alcanzar el sujeto, lo que puede ayudarte a decidir qué objetivo angular necesitas usar para capturar la imagen completa.

Ahora que ya sabes qué lente necesitas para capturar la mayor parte de la imagen, la calidad de la misma depende de la cantidad de detalles que tenga el sujeto. ¿Puedes apreciar detalles nítidos en cada píxel, o la imagen es borrosa y con ruido al ampliarla en tu álbum de fotos digital? Esto dependerá del nivel de ruido de tu sensor sísmico. La mayoría de sensores tienen un nivel de ruido menor que el de la cámara de tu grabadora, pero algunos no.

Rango dinámico: el bit es el límite

Se han registrado movimientos del suelo superiores a 2g (el doble de la aceleración debida a la gravedad) en los terremotos más grandes de la zona. Si este es el límite superior del movimiento dinámico de terremotos, ¿hasta qué punto podemos detectar vibraciones en el rango inferior del movimiento del suelo? En los lugares más silenciosos de la Tierra, es posible observar niveles de vibración inferiores a una milmillonésima parte de la fuerza de la gravedad. Este «rango dinámico» (desde el movimiento más fuerte hasta el más débil detectable) se mide en decibelios y equivale a unos 200dB.

El rango dinámico de un sensor sísmico analógico representa el movimiento desde el nivel de saturación hasta el nivel de ruido, pero dado que el nivel de ruido de un sensor varía con la frecuencia, se suele afirmar que el rango dinámico más amplio presenta el valor más favorable. Por lo tanto, el nivel de ruido y el rango dinámico están estrechamente relacionados. sensores de aceleración de bajo costo tienen rangos de alrededor de 100dB, mientras que sensores de velocidad de alta tecnología pueden tener rangos superiores a 160dB.

Cada bit de un sistema digital representa aproximadamente 6dB, por lo que un sistema de 24 bits sin ruido tiene un rango dinámico teórico de 144dB. Esto significa que incluso las mejores grabadoras no pueden registrar el rango dinámico completo de los mejores sensores. Como se puede observar en el diagrama anterior, por eso se necesitan dos conjuntos de sistemas de grabación para cubrir el rango dinámico completo del movimiento del suelo.

Un solo bit de ruido digital (1 unidad entre 17 millones) reduce el rango dinámico de una grabadora a 138dB, y 2 bits de ruido resultan en un rango dinámico de 132dB. Esta pequeña cantidad de ruido digital puede tener un efecto considerable en una especificación que se percibe como una medida del rendimiento de la grabadora, pero la implicación en el uso real no es tan drástica. A menudo, el rango dinámico de la grabadora se promedia y se citan otros valores en dB, pero la mayoría presenta 1-2 bits de ruido digital en los modos de funcionamiento típicos.

La Tierra ruidosa

La Tierra está en constante vibración, y algunos lugares vibran más que otros. Los entornos urbanos son inherentemente ruidosos, al igual que las zonas costeras donde las olas del océano rompen continuamente contra la tierra. Los terrenos ganados al mar y las superficies relativamente sueltas también pueden ser ruidosos, pero existen algunos lugares muy silenciosos en la Tierra donde podemos medir las vibraciones naturales del planeta en diversas frecuencias.

Debido a la variabilidad espectral (relacionada con la frecuencia) del ruido sísmico, es imposible definir el nivel de ruido de una ubicación con un solo valor, por lo que suele representarse en un gráfico de amplitud-frecuencia. El ruido relativo se visualiza mediante modelos desarrollados por Peterson, donde el NLNM (Nuevo Modelo de Ruido Bajo) representa el ruido espectral en las estaciones sísmicas más silenciosas del planeta, y el NHNM (Nuevo Modelo de Ruido Alto) representa los niveles de ruido espectral en un entorno urbano.

La capacidad del sensor para detectar pequeños niveles de movimiento también depende de la frecuencia. Algunos sensores emiten voltajes constantes a frecuencias de movimiento muy bajas, mientras que otros solo lo hacen a frecuencias más altas. Sensores que tienen una amplitud de señal constante en una amplia banda de frecuencias se conocen como sensores de "banda ancha", y en términos de monitoreo de terremotos, esto generalmente abarca señales de largo período desde al menos 30 segundos (0.033Hz) hasta frecuencias de al menos 50Hz.

Si le interesa monitorizar niveles de señal sísmica muy bajos (los cercanos al NLNM), el ruido del sensor y el ruido ambiental en la estación suelen ser factores limitantes. El registrador debe configurarse con el nivel de zoom adecuado para el sensor, de modo que no limite la detectabilidad de la señal. Esto se puede observar a continuación, donde el nivel de ruido propio de un registrador Gecko configurado para registrar un sismómetro de bajo ruido se encuentra por debajo del modelo de bajo ruido desde 1000 segundos hasta donde cruza el NLNM a 5Hz.

Comparemos esto con el nivel de ruido de una de las estaciones de la red nacional australiana, ubicada en una silenciosa bóveda subterránea. Esta estación utiliza un sismómetro Streckeisen STS-2 de 120 segundos y muy bajo nivel de ruido 1500V /m/s). Sabemos que este sensor puede detectar señales aún más débiles, por lo que este gráfico muestra el nivel de ruido de la estación a partir de datos muestreados durante varias horas.

Los niveles de ruido en la mayoría de las estaciones sísmicas no permanentes se encuentran en el medio del rango del modelo de ruido (entre las líneas NLNM y NHNM), por lo que tener un sensor que pueda detectar niveles de señal mucho más bajos puede no justificar el gasto adicional. Seleccionar el sensor correcto significa considerar dónde se va a instalar y qué se desea registrar. Para el monitoreo de terremotos, generalmente se desea utilizar un sensor que tenga un nivel de ruido en el rango entre NLNM y NHNM. Los acelerómetros de bajo costo son buenos para detectar movimientos fuertes (por ejemplo, monitoreo de explosiones en campo cercano, o para complementar un sismómetro de bajo ruido), pero por sí solos generalmente no son lo suficientemente sensibles para la investigación de terremotos o aplicaciones de ingeniería. Incluso los mejores sensores MEMS de bajo costo tienen niveles de ruido muy por encima del Nuevo Modelo de Alto Ruido.

Como puede verse en la animación anterior (haga clic para ver un fotograma final en alta resolución), el rango dinámico de la grabadora suele ser el factor limitante que determina lo que se puede grabar. Puede seleccionar grabar señales grandes (usando el objetivo gran angular), señales de rango medio (rango de entrada natural del convertidor analógico-digital) o señales pequeñas (usando la configuración de zoom de alta ganancia).

La herramienta adecuada para el trabajo.

Si le interesa monitorear terremotos locales (por ejemplo, en un radio de unos 500km de su estación), puede usar un sismómetro de "periodo corto", que generalmente cubre la banda de frecuencia de 1-2Hz a 50-100Hz. Esto es útil cuando la mayor parte de la energía de terremotos locales se encuentra en el rango 2-50Hz. Este tipo de sensores son mucho más económicos y robustos, ya que los componentes mecánicos no necesitan ser sensibles a frecuencias muy bajas, lo que normalmente requiere resortes o pivotes delicados que pueden dañarse si no se manipulan con cuidado.

Los sismómetros modernos de corto período, alimentados eléctricamente y de tipo "activo", tienen salidas de 1200V /m/s o más, pero esto no significa necesariamente que sean mejores que un geófono mecánico "pasivo" con una sensibilidad 80V /m/s. Un sismómetro activo simplemente utiliza amplificadores internos para aumentar la tensión de salida; así, volviendo a nuestra analogía con la cámara: el sensor activo tiene su propio objetivo con zoom, mientras que un sensor pasivo necesita una cámara de calidad con un objetivo con zoom para lograr un resultado similar.

En este ejemplo, un sismómetro activo saturará las señales grandes a 16mm /s con una entrada ±20V, y el sensor pasivo hará lo mismo con una entrada ±1.25V 16mm ambos casos, el nivel de ruido (señal pequeña) de ambos sensores es comparable.

Los acelerómetros modernos de bajo ruido representan un buen compromiso entre los niveles de grabación y de ruido: pueden registrar los movimientos sísmicos más fuertes, pero también son lo suficientemente sensibles como para capturar pequeños terremotos locales, lo que los convierte en el monitor de réplicas perfecto de un solo sensor, como se utilizó en un despliegue reciente en Papúa Nueva Guinea.

Funcionalidad frente a puntos de referencia

Ahora debería quedar claro que el término "sensibilidad" es un nombre inapropiado y no una medida de la sensibilidad de un sistema de monitoreo sísmico, sino un factor que debe considerarse junto con otros como la resolución, el rango dinámico, la respuesta en frecuencia y los niveles de ruido. Hay algunas especificaciones del fabricante que no afectan en absoluto el rendimiento sistema (por ejemplo, algunos registradores necesitan 16MB de RAM, pero un Gecko es totalmente funcional con solo 128kB) y hay algunas especificaciones que resaltan características específicas de un modelo en particular que no necesariamente significan que sea más adecuado para la aplicación de monitoreo sísmico (por ejemplo, la capacidad de grabación 4000sps del Gecko, utilizado en el monitoreo de explosiones en campo cercano).

Usemos la analogía del teléfono inteligente para ilustrar esto: cualquier marca o modelo puede hacer llamadas y ejecutar aplicaciones, pero su rendimiento no depende de la cantidad de memoria que tenga ni de la velocidad de su procesador. Todo se reduce a la buena coordinación entre los componentes electrónicos y el software.

La promoción de productos basada en especificaciones técnicas existe desde siempre: la guerra de potencia en los coches, las afirmaciones sobre la velocidad de los procesadores en los ordenadores, la competencia por los megapíxeles en las cámaras. Al final, los mejores productos son los que cumplen su función de forma fiable y ofrecen una buena experiencia de usuario. Las especificaciones técnicas necesitan contexto, así que ten en cuenta la aplicación y busca asesoramiento si no estás seguro de lo que significa ese número en la hoja de datos.

Adam Pascale es sismólogo con aproximadamente 30 años de experiencia en monitoreo sísmico. Ha participado en el diseño y las pruebas de la gama actual SRC sismógrafos y acelerógrafos de banda ancha y de período corto del SRC .