信号分析课程设计报告打印室版.docx

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信号分析课程设计报告打印室版

信

号

分

析

与

处

理

课

程

设

计

报

告

学院：

油气资源学院

班级：

物探0901

学号：

200911020105

姓名：

杨继东

指导老师：

宁忠华老师

本次课程设计用了一周时间，从十八周周二上午到十八周周五上午，实际上机操作为两个上午，在西安石油大学校本部第一实验楼四楼机房，由宁忠华老师带领、指导完成。

这次课程设计的主要目的是巩固我们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。

所应用的主要软件为数学编程软件MATLAB7.0.，我们这次重要应用其对基本信号的画图、滤波、快速傅里叶变换和快速傅里叶反变换及形成“.dat”格式文件的功能。

这次课程设计的主要内容有熟悉MATLAB编程环境，掌握基本的变量定义、赋值、基本简谐波函数调用、画图、傅里叶函数fft（）和ifft（）的调用、求绝对值或模或振幅函数abs（）、取整函数int16（）的编程语句。

掌握简单数字滤波器（低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器）设计方法，学会输出基本简谐波的时域、频域波形图的方法和步骤及简谐波叠加后复杂波滤波后时域、频域波形图的方法和步骤。

学会利用所编写的滤波器程序对实际地震信号进行处理并且学会分析滤波前后地震波波形的变化，更深一步了解滤波器的实际物理意义以便以后更好地进行地震数据资料的处理和解释。

并且通过这次课程设计了解地震数据基本的记录方式，即要了解单炮和多炮地震数据不同特点以及距震源不同距离每道地震记录的不同特征。

这次课程设计的具体内容主要有以下四点，主要图形有十四幅。

一、了解Matlab软件特点，熟悉Matlab编程环境。

…………………2

二、对单频简谐波和叠加波的时域频域波形的输出（4幅图）。

……3

三、对叠加波进行低通高通滤波处理以及时域频域波形的输出（4幅图）。

………………………………………………………………………5

四、利用带通滤波器对实际的地震数据进行处理及对其滤波后特点的分析（8幅图）。

…………………………………………………………7

五、本次课程设计所遇到的问题。

………………………………………11

详细内容在下面一一详细介绍

一、了解Matlab软件特点，熟悉Matlab编程环境

㈠本部分的目的

本部分是这次课程设计的基础，要求我们掌握MATLAB7.0中基本的编程语句，了解编程的环境以及运行的方法，学会对所编写程序及运行后成果图的保存和调用。

㈡本部分的任务及内容

这部分主要涉及编程的基本语句，具体如下：

1.定义，赋值：

给变量赋值：

f1=20;

给数组赋值：

i=1:

N;或tt=0:

deltT:

（N-1）*deltT;

2.函数调用：

①sin（）函数或者cos（）函数的调用；x1（i）=sin（tmp*f1*i）;x2（i）=cos（tmp*f2*i）;

②画图函数plot（）的调用：

figure

（1）;figure

（2）;

plot（x1）;plot（tt,x2）;

③title（'原始信号的时间序列'）;xlabel（'时间（ms）'）;ylabel（'振幅'）;

④傅里叶函数fft（）和ifft（）的调用：

XX=fft（xx,N）;yy=ifft（XX,N）;

⑤求绝对值或模或振幅函数abs（）：

XXabs=abs（XX）;

⑥取复数中的实部X=real（Z）;取复数中的虚部Y=imag（Z）;

3.画频谱图：

横坐标为频率；纵坐标为振幅。

4.滤波：

XX（1:

k）=0.0;

5.取整函数int16（）：

lp=int16（lf/f0）;

6.其它：

①注释：

%============人工合成纪录

②每个语句后面用分号结束“；”

③π应输入pi

④抓图：

Save或Alt+PrScrn

二、对单频简谐波和叠加波的时域频域波形的输出

㈠本部分的目的

这部分主要要求我们会利用数学编程软件MATLAB7.0编写相应的程序对单频简谐波和单频简谐波叠加后复杂波输出时域和频域的波形图，了解基本简谐波的波形特点以及叠加后波形的变形特点。

这部分主要完成四幅图，即单频谐波时域图、单频谐波振幅谱图、双频信号时域图、双频信号振幅谱图。

㈡任务及方法实现

1对于单频简谐波我所选的是：

x1（i）=cos（2*pi*70*i*0.001）（间隔为0.001s单频波频率为70hz）。

2对于叠加波我所选的是：

x1（i）=cos（2*pi*70*i*0.001）+cos（2*pi*120*i*0.001）（间隔全为0.001s低频波频率f1为70hz高频波频率f2为120hz）。

对于时域信号的两张图主要是利用plot（）输出的，而频域的谱线图先经过fft（）实现傅里叶变换再经过取绝对值abs（）和画图plot（）得出。

㈢结果及分析

这部分主要由四张成果图，详细如下：

单频简谐波时域图1

间隔为0.001s单频波频率为70hz

单频简谐波频谱图2

间隔为0.001s单频波频率为70hz

简谐波叠加时域图3

间隔为0.001s低频波频率为70hz高频波频率为120hz

简谐波叠加频谱图4

间隔为0.001s低频波频率为70hz高频波频率为120hz

由以上四幅图我们可的以下结论：

1从图1和图3我们可以看出，对于模拟信号转化而来数字信号其光滑程度没有模拟信号的好，这应和模拟信号量化时的最小量化电平有关，而量化电平又直接决定系统的分辨率，分辨率又决定了信号数字化后的圆滑程度，所以出现了两图的情况。

2从图1和图2我们可以看出，单频简谐波的频谱图为两条直线，并且关于中心点对称。

3从图3我们可以看出，两个周期或频率之比不为无理数的简谐波叠加后为一非正弦周期信号，而两个周期或频率之比为无理数的简谐波叠加应为一概周期信号（虽本次课程设计未涉及但可以通过公式推导得出）。

而对于复杂的非周期信号应为多个简谐波的叠加，也就是傅里叶级数的物理意义。

低频信号在叠加信号上表现为变化平缓的部分，而高频信号表现为变化剧烈的毛刺类信号。

而这些信号可以通过不同功能的滤波器来区分出来。

4从图2和图4我们可以看出，两个简谐波频率不同时叠加后频谱是互相分离的，不互相干扰。

对于复杂信号是由许多个简谐波的叠加组成，而它们的频谱应是许多个像图2一样频谱线组成的包络线。

5从图3和图4我们可以看出，对于相对复杂的时域信号其频谱信号是比较简单的，因此我们可以把信号在频域内处理然后再恢复到时域内，比直接在时域内处理相对要简单。

三、对叠加波进行低通高通滤波处理及相应波形输出

㈠本部分的目的

本部分主要是掌握利用计算机对信号进行低通高通的处理方法和步骤，了解时域信号在频域内处理的物理意义。

并且仔细分析滤波前后信号的变化，得出自己的结论。

㈡任务及方法实现

我所选的滤波信号是：

x1（i）=cos（2*pi*70*i*0.001）+cos（2*pi*120*i*0.001）（间隔全为0.001ms低频波频率f1为70hz高频波频率f2为120hz），先经过傅里叶变换变成频域形式再利用x（1:

k）=0来实现低通处理，对于信号的高通处理利用x（k1：

k2）=0来实现。

最后利用plot（）对滤波后的频谱图进行输出。

对于滤波后时域信号的输出，先把滤波后的频域信号经过反傅里叶变化变成时域的形式，再利用plot（）函数来输出。

㈢结果及分析这部分主要有四张图，下面一一说明：

低通滤波后频谱图5

低通滤波后时域图6

间隔为0.001s低频波频率为70hz高频波频率为120hz

高通滤波后频谱图7

间隔为0.001s低频波频率为70hz高频波频率为120hz

高通滤波后时域图8

间隔为0.001s低频波频率为70hz高频波频率为120hz

从以上四图我们可以得出以下结论：

1从图5和图8我们可以对低通和高通处理有一定的认识（如下两图），即低通

是保留低频信号滤除高频信号，高通是保留高频信号滤除低频信号。

其反映在时域内，低通表示滤除毛刺类的变化剧烈信号部分，这与时域积分处理用相同作用，高通表示为滤除变化缓慢的信号部分，这与时域的微分有相同的作用。

2从图6和图8首先我们可以看出滤波后恢复的时域信号不如原简谐波信号规则，这应是在滤波时把有用信号边缘的少部分给滤除了，这在信号处理中很难避免，在第五部分会说明改进方法。

另外对比他6和图8可知，低通恢复出来的时域信号频率低，高通恢复出来的时域信号频率高。

3低通高通在地震信号处理和分析中用重要的意义，低通处理后的信号反映了区域地质构造的信息，有利于研究区域场的性质，比如基底构造、大的沉积盆地等一级构造，而高通滤波后的信号反应局部场地质构造的信息，有利于研究局部场的性质，比如矿脉、油气圈闭、凹陷等二级、三级构造。

四、利用带通滤波器对实际的地震数据进行处理

1本部分的目的

本部分主要是对实际的地震信号进行处理，要求我们对单炮和多炮实际地震信号的波形有一定的认识，并且学会编写对单道和多道信号进行带通处理的MATLAB程序，学会对比分析处理前后的信号特点，对带通处理有一定的物理层面上的认识。

㈡任务及方法实现

这部分主要是编制带通滤波器，我所选用的是

原理图如下，

然后再利用fopen（）语句来打开数据文件，并利用x=fread（）读取到数组x中。

先提取第100道信号画出时域图和振幅谱图，然后用所编写的带通滤波器对其滤波并画出相应的时域信号图和频谱图。

最后对单炮地震记录进行滤波，先定义要输出的“.dat”型文件，然后利用“fori=1：

480”对这480道信号进行滤波。

此部分共可得到六幅图，分析比较这六幅图得到一定的结论和认识。

㈢结果及分析

这部分主要有6幅成果图，下面详细介绍：

㈠单道信号成果图

第100道时域信号图9

采样点为1500个频率间隔为1/6hz

第100道频谱信号图10

采样点为1500个频率间隔为1/6hz

第100道带通滤波后时域信号图11

带通频率段为12~80hz采样点为1500个频率间隔为1/6hz

第100道带通滤波后频谱图12

带通频率段为12~80hz采样点为1500个频率间隔为1/6hz

由以上四图我们可得以下结论：

1从图9可以看出地震波在传至第100道检波器之前信号振幅为零，从为零的点数和道与道之间的距离可以计算第100道大线距仪器车的距离。

振幅最大的点对应的时间应是直达波到来的时刻，而以后振幅的波动变化应是不同界面反射波传到测点处的结果，结合其他道信号可以推断地下的地质构造。

2从图9和11图可以看出，对第100道信号进行带通滤波（12~80hz）后变化小接近直流的信号和特高频变化剧烈的噪声类干扰信号减少了，而变化相对较小的信号保留下来了。

其反映了地下局部小范围了的构造变化，如小型矿藏和油气藏而对于地下区域的大范围的基底构造信号和特别小体积性质变化比较大地质体的信号已被滤除了。

3从图10可以看出，振幅谱函数随频率的增大而先增大后减小，并且一般地震记录的信号频率不高，最高达几百赫兹。

另外，振幅最大的直达波应是低频波，而从各分界面来的反射波虽频率高一些，但振幅相应的减小了，主要是随着传播距离增大能量逐渐被损耗的缘故。

4从图10和图12可以看出带通滤波器（12~80hz）滤除了低频信号和频率比较大的信号，这样既消除了变化特别剧烈的干扰信号又消除了反映区域地质构造的低频信号，使能反映地表下一定深度的层面性质的信号保留下来。

所以良好的带通滤波器对于地震资料的处理有重要意义。

㈡单炮信号成果图