信号分析处理课程设计报告

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 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。 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：sin( )函数或者cos( )函数的调用；x1(i)=sin(tmp*f1*i);x2(i)= cos(tmp*f2*i);画图函数plot( )的调用：figure(1); figure(2);plot(x1);plot(tt,x2);title(原始信号的时间序列);xlabel(时间(ms);ylabel(振幅);傅里叶函数fft( )和ifft( )的调用：XX=fft(xx,N);yy=ifft(XX,N);求绝对值或模或振幅函数abs( ) ：XXabs=abs(XX);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：注释：%=人工合成纪录每个语句后面用分号结束“；”应输入pi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 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。 任务及方法实现 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)。 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。 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： 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。 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。 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。 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。 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 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。 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。 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： 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。 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。 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。 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 “for i=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。 结果及分析这部分主要有6幅成果图，下面详细介绍： 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1280hz 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1280hz 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： 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。 从图9和11图可以看出，对第100道信号进行带通滤波（1280hz）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。 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。 从图10和图12可以看出带通滤波器（1280hz）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。 单炮信号成果图单炮480道地震记录图 13 道数为480 采样点为1500个 频率间隔为1/6hz单炮480道带通滤波后地震记录图 14带通频率段为1280hz 道数为480 采样点为1500个 频率间隔为1/6hz从以上两图我们有以下结论： 从单炮记录上看，随测点距仪器车距离的增大直达波到达的测点的距离逐渐增大，所以在图13两侧颜色比较深的第一个“八”字型曲线表示地表面。逐渐向中轴线靠近的多条“八”字形曲线代表了不同深度的地质界面，其中双曲线代表了反射波，而直线的部分可能为低频平面波。 对比图13和图14我们知道，带通滤波把地震资料深部界面变模糊了，而使地表下一定深度的层面显示出来。由此我们可知深层的地震反射波应处于低频段，因此地层就相当于是一个低通滤波器。而深部地层反射波处于低频波原因在于能量W=0.5c*（c为波阻抗，为频率，为振幅），随传播距离增大能量W逐渐减小，频率、振幅也相应的减小。 另外，滤波后对于频率特别高的干扰信号也消除了，使我们所研究深度范围内的层面变得更清晰了。五、本次课程设计所遇到的问题 在对简谐波利用傅里叶变换求的频谱时若不求绝对值直接画图时，是条关于实轴对称的直线，如上图。这应是在复平面做出来的，横坐标代表实轴，纵坐标虚轴，这也正反映了离散傅里叶变换的奇偶实虚的性质。2 在反傅里叶变换时若不取其实部直接画时域图时为下图（左）：这也应是在复是在复平面所做的图，杂乱无章，规则性不易看出。而其虚部图如上（右），是随时间的增大而波动性的先减小后增大。而其物理意义我还不太清楚，有待进一步研究。 对于在低通高通滤波后恢复出来的时域信号和原简谐信号相比不是太规则，而由于时间原因我就不再重新做一次了，在此只提出改进的方法。我认为适当的调节滤波时所选的点位置可以使所得图形更规则。例如，在低通滤波时计算的点应是使36750之间的点为零，我们可以选择40750之间的点为零，这样保留了低频信号对应点右侧过渡部分，可以在反傅里叶变化时恢复的更规则。 本次课程设计体会建议 首先应感谢院里领导给我们提供良好的上机环境.让我们大家在一块共同学习、探讨和进步。另外应感谢宁老师一直以来对我们的关心、指导，让我们能够在学习应用软件的同时加强对课本知识的理解，进一步了解信号的处理分析过程。本次课程设计使我对本门课又有了进一步的了解，使我对MATLAB软件有了一定的认识，掌握了一些基本的编程语句。另外，我学会信号低通高通滤波过程， 对简谐信号时域频域的规律有了更深层次的理解，以及对低通高通的物理意义有了深刻的理解。在对实际地震信号的处理过程，我了解到地震波在地层中的传播情况以及地震记录中的表现形式。学会了除去低频面波的方法，对地震资料的处理有了初步的了解。本次课程设计让我了解到作为一个地球物理学者需要细心的整理数据、耐心的处理数据、详细的解释数据。我明显感觉到在数据解释时现今所学知识太少不能探根求源对所观察的现象作出解释，对现今已学的知识也不能游刃有余地应用，看来还需在以后的学习中需要扩大知识面以及调整学习战略，尽量结合实际资料掌握书面知识，尤其是对软件的操作。另外，我打算努力学习准备考华东石油大学的研究生来进一步扩大自己的知识范围和视野范围，细心学习本行业优秀导师学者的工作方法和技能，使自己的专业能力有一定的提高。并且在以后的发展中努力提高其他方面的能力，尤其是逻辑思维和哲学层面的总结抽象能力，而且在身体素质方面我一直坚持练习中国传统武术和西方格斗术，开发自己的身体潜能，使自己全面发展。至于建议，我没什么说的，课程设计的环境和过程我都感到很满意，只是在学习资料和资源方面我感到我们学校做的还不够，机房和图书馆在正常上课时间开放不能满足学生在周末学习的需要。最后再次感谢院系老师们的关心与指导，祝福老师永远幸福快乐！参考资料：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董敏煜编地震信号勘探分析 石油大学出版社1989邹云平 林烨主编信号与系统分析 科学出版社 200312