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1、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。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
2、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fi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)=cos 2 兀 f mA t+cos 2 兀 f 2nA t式中 n=1,2,3,256, At=0.001s,f i=70Hz,f 2=125Hz4 .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
3、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(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.exR显示滤波前后的地震数据；滤波效果。地震数据如下图I 刁 皿4L 比 打 ” 见 皿I口IL二乂：!比14”曰L
4、如：!Hr白LI“篁门2”上臼 打！洌铝父I Hl第I的杷I加1至IL*力14” Hl 4丸7：1在I4幻匕九冬批生1弘1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, 12f80,0,其他K(m H22、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
5、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=256f0=1.0/N/deltT;i=1:N;tmp=2*pi*deltT;%=离散频率为f01的信号，并画图 1X1(i)=sin(tmp*f1*i);figure(1);plot(X1);%=离散频率为f2的信号，并画图 2X2(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 3X3=X1+X2;figure(3);plot(X3);%=把相加后的信
6、号从时间域转换到频率域，并画出振幅谱4X4=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)6ya=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7X5=fft(x3);lk=int16(70/f0);X5(1:lk)=0.0;X5(N-lk:N)=0.0fi
7、gure(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)8yb=ifft(X5);figure(8);plot(real(yb);(2)、运行后的图形：F igure 3(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
8、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：%给出基本参数dt=0.004;pointoftrace=1500;trace=480;f0=1.0/dt/pointoftrace;lf=12;hf=80;k=100;%该程序实现单道滤波和单炮地震记录滤波%时间采样间隔%每道的采样点数%要进行出来的总道数%谱线频率间隔%带通中的 low
9、 frequency%带通中的 high frequency%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1figure。)；plot(xk);%对该道进行fft ,并画出振幅谱 2X1=fft(xk);figure(2);plot(abs(X1);%对该道进行滤波，并画出振幅谱3X1(1:lf/f0)=0.
10、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4ya=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for i=1:trace;xi=x(1500*(i-1)+1:1500*i)
11、;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%关闭fp2fclose(fp2);(2) .运行后的图形:Figure 1(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
12、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：m wi.ii 四FDQ HQ241 - i Ml 2TlJOI Jll 121 Ri.* I Ml IT iXi 21 -4s i 421 口 L Tk G i 4AI 4TI Ul 3 SOi 3 Ilow 11B L2DO L j：- 1.44aLOT LMJO LTOO LUU LEWMO 2JDC K-OD KttP zwo mHAO HgZBTO nooHDD图(一)(2) .处理
13、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
14、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201016