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1、《信號分析與處理》 課程設(shè)計報告 專 業(yè)：勘察技術(shù)與工程 班 級： 物探1003班 姓 名： 李濤 學(xué) 號： 201011020309 指導(dǎo)教師： 寧忠華老師 二。一三年元月六日 一 課程設(shè)計的目的和基本要求 2 二 課程設(shè)計的主要內(nèi)容 2 三實驗結(jié)果與分析 --4 四體會與建議 16 參考文獻 16 一、課程設(shè)計的目的和基本要求 本課程設(shè)計是信號分析與處理教學(xué)環(huán)節(jié)的延續(xù)(獨立設(shè)課)，目的是鞏固所 學(xué)的信號分析與處理基本理論知識，掌握用計算機對信號進行采集、處理基本方 法。 通過本課程的教學(xué)，學(xué)生應(yīng)做到： (1) 了解應(yīng)用計算進行信號分析與處理的

2、基本過程和基本方法。 (2)能正確應(yīng)用Matlab實現(xiàn)基本的信號分析與處理。 (3)加深對信號分析與處理基本理論知識的理解。 二、課程設(shè)計的主要內(nèi)容 1 , 了解Matlab軟件特點，熟悉Matlab編程環(huán)境。 2 .數(shù)字濾波器設(shè)計 調(diào)用Matlab信號處理工具箱函數(shù)，采用頻率采樣法設(shè)計數(shù)字濾波器。 3 .給定一理論信號S(t),包含兩個頻率成分fi和f2或多個頻率成分，觀察 其時域波形，對其進行快速傅里葉變換，觀察其頻譜。分析討論結(jié)果。 提示：S(t)=cos 2 兀 f mA t+cos 2 兀 f 2nA t 式中 n=1,2,3,…,256, At=0.001s,f

3、i=70Hz,f 2=125Hz 4 .數(shù)字濾波實現(xiàn) 給定一理論信號S(t),包含兩個頻率成分f1和f2,首先選擇合適的采樣率對 其進行采樣得到數(shù)字信號，觀察其時域波形，對其進行快速傅里葉變換，觀察其 頻譜。 提示：S(n A t尸sin2 兀 f 1n A t+sin2 兀 f 2n A t 式中 n=1,2,3, ??,256, At=0.002s,f 1=20Hz,f 2=75Hz 將上述信號分別經(jīng)過低通和高通兩種數(shù)字濾波器，分別濾除 f1頻率成分和f2 頻率成分，觀察輸出時域波形及頻譜。分析比較處理前后的結(jié)果。 5 .設(shè)計一帶通濾波器 BP (12, 80),對一給定的地

4、震數(shù)據(jù)進行帶通濾波 ； 用給定的顯示程序(shot.exR顯示濾波前后的地震數(shù)據(jù)；濾波效果。 地震數(shù)據(jù)如下圖 I 刁 皿4L 比 打 ” 見 皿I口I L"二乂 ：!比14”曰L如：!Hr白L I■“篁門2”上臼 打！洌鋁父I Hl第I的杷I加1至IL*」力14” Hl 4丸7：1在I 4幻匕九冬批生1弘1 地震數(shù)據(jù)參數(shù)： 數(shù)據(jù)文件名：shot2D.dat 每炮道數(shù)：480 道長 ：6s（1500個樣點） 采樣間隔：4ms 數(shù)據(jù)格式：PC二進制――每個樣點占32位（4字節(jié)），每道1500個樣點 建議計算過程: 1、設(shè)置濾波函數(shù) H(f)={1, 12

5、其他 K(] m H 2 2、讀取地震數(shù)據(jù)，存入數(shù)組data(t); 3、將data(t)用fft轉(zhuǎn)換到頻率域，得到 DATA(f) 4、用濾波方程X(f)=H(f)DATA(f)得到頻率域濾波結(jié)果； 5、將X(f)用fft反變換至?xí)r間域，得到最終濾波結(jié)果。 三、實驗結(jié)果與分析 1.數(shù)字濾波實現(xiàn) (1)、程序如下： %===============給出基本的參數(shù)：頻率、離散點數(shù)、離散時間間隔、譜線間隔、離散 序列 f1=20; f2=75; deltT=0.002; N=256 f0=1.0/N/deltT; i=1:N; tmp=2*pi*deltT;

6、 %============離散頻率為f01的信號，并畫圖 1 X1(i)=sin(tmp*f1*i); figure(1); plot(X1); %============離散頻率為f2的信號，并畫圖 2 X2(i)=sin(tmp*f2*i); figure(2); plot(X2); %============兩離散信號相加得到新的信號，并畫圖 3 X3=X1+X2; figure(3); plot(X3); %==============把相加后的信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域，并畫出振幅譜 4 X4=fft(X3,N); figure(4); plot(abs

7、(X4)); %=============在頻率域進行低通濾波，并畫出濾波好的振幅譜 5 lk=int16(70/f0); X4(lk:N-lk)=0.0; figure(5); plot(abs(X4)); %=============濾波后返回時間域，并畫出低通濾波后時間域的圖形(畫實部) 6 ya=ifft(X4,N); X4(lk:N-lk)=0.0; figure(6); plot(real(ya)); %=============在頻率域進行高通濾波，并畫出濾波好的振幅譜 7 X5=fft(x3); lk=int16(70/f0); X5(1:lk)=0.

8、0; X5(N-lk:N)=0.0 figure(7); plot(abs(X5)); %=============濾波后返回時間域，并畫出高通濾波后時間域的圖形(畫實部) 8 yb=ifft(X5); figure(8); plot(real(yb)); (2)、運行后的圖形：  F igure 3    (3) .結(jié)果分析： 通過以上八幅圖，可以得出以下結(jié)論： ① .觀察圖一和圖二，我們可以發(fā)現(xiàn)，高頻信號的圖像比低頻信號的圖像復(fù)雜， 高頻信號比低頻信號圖像密； ② .觀察圖三可知兩個信號疊加后其幅

9、值發(fā)生了變化， 觀察圖四可知兩個信號疊 加后它們的頻譜互相分離，不干擾，而且頻譜圖像較簡單； ③ .圖五和圖七分別是對疊加信號進行低通濾波和高通濾波， 低通濾波就是濾去 高頻信號，保留低頻信號，而高頻濾波即是濾去低頻成分，保留高頻成分； ④ .圖一，圖二和圖三是時域中的信號圖像，圖四，圖五和圖七是信號的頻譜， 可以看出頻譜圖像比時間域圖像光滑； ⑤ .圖六和圖八是對濾波后的信號返回時間域， 可以看出信號的頻譜圖像比信號 圖像簡單，所以在處理信號時可以處理它的頻域圖像然后返回到時間域。 2.帶通濾波器設(shè)計 (1).運行程序如下： %給出基本參數(shù) dt=0.004; poin

10、toftrace=1500; trace=480; f0=1.0/dt/pointoftrace; lf=12; hf=80; k=100; %該程序?qū)崿F(xiàn)單道濾波和單炮地震記錄濾波 %時間采樣間隔 %每道的采樣點數(shù) %要進行出來的總道數(shù) %譜線頻率間隔 %帶通中的 low frequency %帶通中的 high frequency %提取的道號 %打開數(shù)據(jù)文件，并讀取數(shù)據(jù)到數(shù)組 x中 fp=fopen(e:\jzh2D.dat); % 打開數(shù)據(jù)文件 x=fread(fp,1500*480,float32); %把數(shù)據(jù)讀取到數(shù)組 x 中 fclose(fp);

11、 %關(guān)閉 %提取其中的一道，并畫出該道的時間域信號 xk=x(1500*(k-1)+1:1500*k); %畫出該道的時間域信號 1 figure。)； plot(xk); %對該道進行fft ,并畫出振幅譜 2 X1=fft(xk); figure(2); plot(abs(X1)); %對該道進行濾波，并畫出振幅譜 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

12、時間域，并畫出該道時間域信號 4 ya=ifft(X1); figure(4); plot(real(ya)); %對單炮地震記錄進行濾波 %打開要輸出的文件 filename=xlvbo.dat; %輸出濾波后的數(shù)據(jù)文件名 fp2=fopen(filename,w); % 打開要寫入的文件 %分別對每一道進行濾波，濾波后把數(shù)據(jù)寫入到文件中 for i=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(pointof

13、trace-lf/f0:pointoftrace)=0.0; y1=ifft(Xa); fwrite(fp2,real(y1),float32); end %關(guān)閉fp2 fclose(fp2); (2) .運行后的圖形: Figure 1   (3) .結(jié)果分析： 通過觀察以上四幅圖，可以得出以下結(jié)論： ①.圖一是提取其中一道信號的時間域圖像， 觀察圖一可以發(fā)現(xiàn)在地震波傳到大 約400道時，之前振幅為零，隨之振幅變到最大，以后振幅變化范圍不大； ②.圖二是該信號的頻譜，從頻譜中可以看出振幅譜函數(shù)隨頻率的增大而先增大 后減?。? ③.圖三和

14、圖四分別是對信號進行濾波并且返回到時間域中，從圖中可以看出， 此次操作濾去了干擾信號，即頻率過低或頻率過高的信號。 3.地震數(shù)據(jù)圖處理： (1) .處理前： m w i.ii 四 FDQ HQ 241 - i Ml 2Tl JOI Jll 121 Ri.* I Ml IT i Xi 21 -4s i 421 口 L Tk G i 4AI 4TI Ul ^3 SOi ^3 I low 11B L2DO L j＞：- 1.44a LOT LMJO LTOO LUU LEW MO 2JDC K-OD KttP zwo m HAO Hg ZBTO noo HDD 圖(一)

15、 (2) .處理后: 圖(二) (3) .結(jié)果分析： 從以上兩圖我們有以下結(jié)論： ①.觀察圖一和圖二，可以看出無論是處理前的圖像還是處理后的圖像都呈現(xiàn) “八”字，表現(xiàn)了不同的地質(zhì)情況； ②.從圖一和圖二可以看出，隨著測點離儀器越來越遠，地震波到達測點的距離 也越來越大； ③.圖一相對于圖二來說，可能濾去了干擾信號或者噪聲的影響， 即濾去了頻率 過高或者頻率過高過低的信號，圖像相對比較清晰，使我們能清楚看清和分析地 下地質(zhì)情況。 四體會與建議 本次的《信號分析與處理》課程設(shè)計給我們提供了一個很好的實踐平臺，讓 我們學(xué)到許多課本上沒有的知識，而且讓我們在學(xué)習(xí)使用軟件操作的

16、同時也對課 本知識加以鞏固。 本次的課程設(shè)計使我對 MATLAB軟件有了進一步的了解，了解了它的使用 方法，以及它的功能，我們可以用它顯示時域中信號的圖像， 而且可以用它對信 號進行濾波處理，濾去干擾信號，還可以經(jīng)過運行程序得出信號的頻譜， 以及處 理地震勘探的一些問題，使我們在學(xué)習(xí)到一些課外知識的同時鞏固了課本知識。 本次實驗同學(xué)之間以及同學(xué)與老師之間也進行了大量的溝通， 使我們出現(xiàn)的問題 能夠及時的解決，也加深了我們與老師和其他同學(xué)的感情， 對以后的學(xué)習(xí)有很大 的幫助。 總之，本次課程設(shè)計我是受益匪淺，我希望學(xué)校和院系以后能夠為我們提供 更多的像這樣的實踐平臺，來提升我們的基礎(chǔ)知識和實踐能力。 參考文獻 王云專王潤秋主編，陳小宏主審《信號分析與處理》 石油工業(yè)出版社 2010 16