《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)={1,120,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