Sismografi tra 10 - 24 bit

Segue un posto inserito nel forum di geologi.it in cui si parla tra le altre cose del comportamento dei sismogradi a 10 / 24 bit

Vorrei tentare di chiarire il problema della saturazione del segnale acquisito con un 12, 16 e 24 bit nell'ottica dei sondaggi MASW.

La saturazione del segnale si ha quando il segnale acquisito supera generalmente i +/- 2 - 5 volt a seconda del modello del geofono e/o del valore di soglia dell'adconverter (componente hardware che permette di trasformare il segnale analogico in digitale).

Proviamo a piazzare  a 2 metri dalla piastra tre geofoni uguali,

- il primo collegato a un sismografo a 24 bit,

- il secondo al 16 bit

- il terzo a un 12 bit

( tutti e tre con la stessa tensione di riferimento ( +/- 3 volt )

supponiamo che i sismografi 12 bit e 16 bit siano impostati con guadagno 1 e il 24 bit non sia ulteriormente amplificato.

esempio di acquisizione con  adconverter 12,16,24 bit utilizzando gain diversi in base alla sensibilità strumentale, i segnali sono praticamente identici, varia solo il valore numerico letto che è il risultato del prodotto della definizione dell'adc ( strumentale e il gain applicato. 

Diamo ora una mazzata sufficientemente forte che mandi in saturazione il sismografo a 12 bit, vuol dire che abbiamo generato con la mazzata una vibrazione tale a far produrre al geofono una corrente di +/-3 volt.

continua....

Pertanto il segnale acquisito dal sismografo a 12 bit va in saturazione.

Ora esaminiamo cosa succede al sismografo a 16 bit: essendo i geofoni uguale a quello a cui è collegato il 12 bit, con la medesima mazzata verrà generata una corrente di +/- 3 volt, valore questo che manda in saturazione anche l'ADconverter del sismografo a 16 bit avendo come valore di soglia anch'esso i 3 volt.

Stessa cosa avviene al sismografo 24 bit , 36 bit 64 bit ... se hanno anche loro valore di soglia di 3 volt e tutti andranno in saturazione.

A questo punto vi chiederete che differenza c'è tra un 12 bit, 16 bit e un 24 bit dal punto di vista della forma d'onda, la risposta è nessuna differenza, ciò che li diversifica è che il valore di saturazione che leggiamo sulla traccia del 12 bit è 2^12 = +/- 2 2048 , sul 16 bit 2^16 = +/- 32000 per il 24 bit = 2^24 = 838000

Gli altri valori del sismogramma sono proporzionali , pertanto l'aspetto grafico del segnale plottato su monitor dovrà essere corretto solo da un fattore di scala.

Identico è in rapporto segnale masw / rupore pertanto se abbiamo 830000 o 4096 come fondo scale anche il rapporto con il rumore corrispondente non cambia e pertanto anche lo spettro una volta elaborati i dati acquisiti.

Per i 24 canali le cose si complicano siano essi a 12 o 24 bit in quanto il decadimento del segnale tra il 13 e 24 ° canale si riduce con il quadrato della distanza, pertanto rende il segnale vero sempre più piccolo rispetto al rumore di fondo.

Quest'ultimo può sporcare notevolmente il grafico di dispersione in particolare in concomitanza delle basse frequenze hz> 10 hz che rendono difficile l'elaborazione.

Per ovviare a ciò è necessario allontanare il punto di battuta dal primo geofono, aumentare l'energia indotta dalla mazza, se ciò non è più possibile aumentare il gain per i sismografo 12 bit o 16 bit per il 24 bit questa operazione non è possibile per mancanza di preamplificatori.

Attenzione aumentare troppo il gain non serve in quanto si aumenta l'ampiezza del segnale vero ma contemporaneamente anche il rumore, utile è l'operazione della sommatoria del segnale.

In tutti i casi per calcolare le vs30 il range dinamico costituito da +/- 4096 step del 12 canali è più che sufficiente per fare una buona elaborazione masw con 12 geofoni, aumentando il numero di geofoni meglio aumentaare i bit dell'adconverter a 16 o 24.

Ora vediamo quali sono i benefici o meno di avere un sismografo a 12 - 16 -24 bit per eseguire i sondaggi Masw - vs30

La differenza principale è una dalla definizione dello step minimo leggibile ( in pratica si ha una maggiore sensibilità aumentando i bit dell'adconverter ), la minore sensibilità per il 12 e 16 bit è compensata dalla presenza di un preamplificatore.

Cosa vuol dire : con guadagno 1 x per un 12 bit non abbiamo la possibilità di registrare i microtremori di un sito lontano dal traffico urbano ma possiamo registrare in maniera ottima il segnale prodotto dalle onde superficiali a seguito della mazzata.
La ridotta sensibilità permette quindi di rilevare solo i segnali veri generati dalla mazza mentre i rumori ambientali non essendo rilevati non generano dispersione del segnale che spesso sporcano il grafico o lo rendono illeggibile in quanto bon registrabili dallo strumento se si mantiene una amplificazione del segnale relativamente bassa.

Per chi ha provato ad elaborare masw acquisito a 12 bit normalmente avrà potuto notare l'assenza o quasi di punti di dispersione sperimentali dovuti al rumore a meno che il sondaggio non venga fatto in città vicino al traffico urbano.

Per i sismografi a 16 bit 64 volte più sensibili di un 12 bit a parità di gain impostato il rumore ha un peso 64 volte superiore rispetto al caso precedente pertanto in condizioni di rumore ambientale elevato si ha ancora un segnale acquisito sufficientemente chiaro da elaborare in particolare se la mazzata è stata data sufficientemente forte ( in tutti i casi si ha la possibilità di amplificare o deamplificare il segnale per fare in modo di non acquisire microtremori .

E' consigliabile con il 16 bit prima di fare un MASW eseguire un test per trovare il gai da applicare a tutti i canali ottimale sufficientemente aplificato atto a regitrare microtremori con valori appena percettibili, in questo modo non genereranno frequenze anomale che potrebbero interferire con le frequenze generate dall'impulso della Massza Battente...

Nel caso del 24 bit il rumore incide 256 volte di più sensibile del segnale acquisito con un 16 bit e 4096 volte più elevato di un 12 bit e pertanto se si da una mazzata si registreranno sia i segnali generati dalla mazzata, sia quelli dovuti ai microtremori ( da o a 0,000 000 030 Volt ) pertanto si registreranno una serie di rumori dannosi che si sovrappongono ai segnali veri rendendo difficile l'elaborazione del dato e la comparsa di numerose anomalie grafiche sul grafico FK che possono rendere difficoltosa l'elaborazione.

esempio 
12 bit segnale 2046, rumore 10 rapporto segnale/rumore = 204

16 bit 32000, rumore 160  rapporto segnale/rumore = 204

24 bit 838000, rumore 4107  rapporto segnale/rumore = 204

( i valori di rumore indicati sono rispettivamente quelli letti da un sismografo a 12, 16, 24 bit generati dal medesimo evento)

Concludendo un rumore acquisito da un sismografo 12 bit ( a parità di gain ) di ampiezza +/- 1 step diventa di +/-64 step per un 16 bit e di +/- 4096 step per un 24 bit 

Quindi in tutti i 3 casi occorre generare la massima energia in fase di battuta, nel caso in cui si supera il valore di soglia del segnale al primo geofono, aumentare la distanza di offset, nel caso non dovesse essere superato il valore di soglia aumentare il gain (se il sismografo lo permette) oppure (meglio) accorciare la stesa sismica per avere un miglior rapporto guadano / rumore.

Un buon compromesso per il numero di geofoni utili per fare il masw è 16 in quanto permettono di avere più tracce sismiche di un 12 canali e permettere di avere il segnale degli ultimi geofoni sufficiente buono 

Si può infine dire che un 12 bit amplificato con gain 8000 x oppure un 16 bit con gain 256 x hanno la medesima risoluzione di un 24 bit a parità di tensione di riferimento.