《信号分析与处理》课程设计物探专业.docx

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《信号分析与处理》课程设计物探专业

《信号分析与处理》

课程设计报告

专业：

勘察技术与工程

班级：

物探1003班

姓名：

李涛

学号：

201011020309

指导教师：

宁忠华老师

二〇一三年元月六日

一课程设计的目的和基本要求………………………2

二课程设计的主要内容………………………………2

三实验结果与分析……………………………………4

四体会与建议…………………………………………16

参考文献…………………………………………………16

一、课程设计的目的和基本要求

本课程设计是信号分析与处理教学环节的延续（独立设课），目的是巩固所学的信号分析与处理基本理论知识，掌握用计算机对信号进行采集、处理基本方法。

通过本课程的教学，学生应做到：

（1）了解应用计算进行信号分析与处理的基本过程和基本方法。

（2）能正确应用Matlab实现基本的信号分析与处理。

（3）加深对信号分析与处理基本理论知识的理解。

二、课程设计的主要内容

1．了解Matlab软件特点，熟悉Matlab编程环境。

2．数字滤波器设计

调用Matlab信号处理工具箱函数，采用频率采样法设计数字滤波器。

3．给定一理论信号S（t），包含两个频率成分f1和f2或多个频率成分，观察其时域波形，对其进行快速傅里叶变换，观察其频谱。

分析讨论结果。

提示：

S（t）=cos2πf1nΔt+cos2πf2nΔt

式中n=1,2,3,…,256,Δt=0.001s,f1=70Hz,f2=125Hz

4．数字滤波实现

给定一理论信号S（t），包含两个频率成分f1和f2，首先选择合适的采样率对其进行采样得到数字信号，观察其时域波形，对其进行快速傅里叶变换，观察其频谱。

提示：

S（nΔt）=sin2πf1nΔt+sin2πf2nΔt

式中n=1,2,3,…,256,Δt=0.002s,f1=20Hz,f2=75Hz

将上述信号分别经过低通和高通两种数字滤波器，分别滤除f1频率成分和f2频率成分，观察输出时域波形及频谱。

分析比较处理前后的结果。

5．设计一带通滤波器BP（12，80），对一给定的地震数据进行带通滤波;用给定的显示程序（shot.exe）显示滤波前后的地震数据；滤波效果。

地震数据如下图

地震数据参数：

数据文件名：

shot2D.dat

每炮道数：

480

道长：

6s（1500个样点）

采样间隔：

4ms

数据格式：

PC二进制－－每个样点占32位（4字节），每道1500个样点

建议计算过程：

1、设置滤波函数H（f）={1,12

0,其他

2、读取地震数据，存入数组data（t）;

3、将data（t）用fft转换到频率域，得到DATA（f）

4、用滤波方程X（f）=H（f）DATA（f）得到频率域滤波结果；

5、将X（f）用fft反变换至时间域，得到最终滤波结果。

三、实验结果与分析

1.数字滤波实现

（1）、程序如下：

%===============给出基本的参数：

频率、离散点数、离散时间间隔、谱线间隔、离散序列

f1=20;

f2=75;

deltT=0.002;

N=256

f0=1.0/N/deltT;

i=1:

N;

tmp=2*pi*deltT;

%============离散频率为f01的信号，并画图1

X1（i）=sin（tmp*f1*i）;

figure

（1）;

plot（X1）;

%============离散频率为f2的信号，并画图2

X2（i）=sin（tmp*f2*i）;

figure

（2）;

plot（X2）;

%============两离散信号相加得到新的信号，并画图3

X3=X1+X2;

figure（3）;

plot（X3）;

%==============把相加后的信号从时间域转换到频率域，并画出振幅谱4

X4=fft（X3,N）;

figure（4）;

plot（abs（X4））;

%=============在频率域进行低通滤波，并画出滤波好的振幅谱5

lk=int16（70/f0）;

X4（lk:

N-lk）=0.0;

figure（5）;

plot（abs（X4））;

%=============滤波后返回时间域，并画出低通滤波后时间域的图形（画实部）6

ya=ifft（X4,N）;

X4（lk:

N-lk）=0.0;

figure（6）;

plot（real（ya））;

%=============在频率域进行高通滤波，并画出滤波好的振幅谱7

X5=fft（x3）;

lk=int16（70/f0）;

X5（1:

lk）=0.0;

X5（N-lk:

N）=0.0

figure（7）;

plot（abs（X5））;

%=============滤波后返回时间域，并画出高通滤波后时间域的图形（画实部）8

yb=ifft（X5）;

figure（8）;

plot（real（yb））;

（2）、运行后的图形：

（3）．结果分析：

通过以上八幅图，可以得出以下结论：

．观察图一和图二，我们可以发现，高频信号的图像比低频信号的图像复杂，高频信号比低频信号图像密；

．观察图三可知两个信号叠加后其幅值发生了变化，观察图四可知两个信号叠加后它们的频谱互相分离，不干扰，而且频谱图像较简单；

．图五和图七分别是对叠加信号进行低通滤波和高通滤波，低通滤波就是滤去高频信号，保留低频信号，而高频滤波即是滤去低频成分，保留高频成分；

.图一，图二和图三是时域中的信号图像，图四，图五和图七是信号的频谱，可以看出频谱图像比时间域图像光滑；

．图六和图八是对滤波后的信号返回时间域，可以看出信号的频谱图像比信号图像简单，所以在处理信号时可以处理它的频域图像然后返回到时间域。

2．带通滤波器设计

（1）．运行程序如下：

%该程序实现单道滤波和单炮地震记录滤波

%给出基本参数

dt=0.004;%时间采样间隔

pointoftrace=1500;%每道的采样点数

trace=480;%要进行出来的总道数

f0=1.0/dt/pointoftrace;%谱线频率间隔

lf=12;%带通中的lowfrequency

hf=80;%带通中的highfrequency

k=100;%提取的道号

%打开数据文件，并读取数据到数组x中

fp=fopen（'e:

\jzh2D.dat'）;%打开数据文件

x=fread（fp,1500*480,'float32'）;%把数据读取到数组x中

fclose（fp）;%关闭

%提取其中的一道，并画出该道的时间域信号

xk=x（1500*（k-1）+1:

1500*k）;

%画出该道的时间域信号1

figure

（1）;

plot（xk）;

%对该道进行fft，并画出振幅谱2

X1=fft（xk）;

figure

（2）;

plot（abs（X1））;

%对该道进行滤波，并画出振幅谱3

X1（1:

lf/f0）=0.0;

X1（hf/f0:

pointoftrace-hf/f0）=0.0;

X1（pointoftrace-lf/f0:

pointoftrace）=0.0;

figure（3）;

plot（abs（X1））;

%返回到时间域，并画出该道时间域信号4

ya=ifft（X1）;

figure（4）;

plot（real（ya））;

%对单炮地震记录进行滤波

%打开要输出的文件

filename='xlvbo.dat';%输出滤波后的数据文件名

fp2=fopen（filename,'w'）;%打开要写入的文件

%分别对每一道进行滤波，滤波后把数据写入到文件中

fori=1:

trace;

xi=x（1500*（i-1）+1:

1500*i）;

Xa=fft（xi）;

Xa（1:

lf/f0）=0.0;

Xa（hf/f0:

pointoftrace-hf/f0）=0.0;

Xa（pointoftrace-lf/f0:

pointoftrace）=0.0;

y1=ifft（Xa）;

fwrite（fp2,real（y1）,'float32'）;

end

fclose（fp2）;%关闭fp2

（2）．运行后的图形：

（3）．结果分析：

通过观察以上四幅图，可以得出以下结论：

．图一是提取其中一道信号的时间域图像，观察图一可以发现在地震波传到大约400道时，之前振幅为零，随之振幅变到最大，以后振幅变化范围不大；

．图二是该信号的频谱，从频谱中可以看出振幅谱函数随频率的增大而先增大后减小；

．图三和图四分别是对信号进行滤波并且返回到时间域中，从图中可以看出，此次操作滤去了干扰信号，即频率过低或频率过高的信号。

3．地震数据图处理：

（1）．处理前：

图

（一）

（2）．处理后：

图

（二）

（3）．结果分析：

从以上两图我们有以下结论：

．观察图一和图二，可以看出无论是处理前的图像还是处理后的图像都呈现“八”字，表现了不同的地质情况；

．从图一和图二可以看出，随着测点离仪器越来越远，地震波到达测点的距离也越来越大；

．图一相对于图二来说，可能滤去了干扰信号或者噪声的影响，即滤去了频率过高或者频率过高过低的信号，图像相对比较清晰，使我们能清楚看清和分析地下地质情况。

四体会与建议

本次的《信号分析与处理》课程设计给我们提供了一个很好的实践平台，让我们学到许多课本上没有的知识，而且让我们在学习使用软件操作的同时也对课本知识加以巩固。

本次的课程设计使我对MATLAB软件有了进一步的了解，了解了它的使用方法，以及它的功能，我们可以用它显示时域中信号的图像，而且可以用它对信号进行滤波处理，滤去干扰信号，还可以经过运行程序得出信号的频谱，以及处理地震勘探的一些问题，使我们在学习到一些课外知识的同时巩固了课本知识。

本次实验同学之间以及同学与老师之间也进行了大量的沟通，使我们出现的问题能够及时的解决，也加深了我们与老师和其他同学的感情，对以后的学习有很大的帮助。

总之，本次课程设计我是受益匪浅，我希望学校和院系以后能够为我们提供更多的像这样的实践平台，来提升我们的基础知识和实践能力。

参考文献

王云专王润秋主编，陈小宏主审《信号分析与处理》石油工业出版社2010