數(shù)字地震信號處理課程設計介紹

“數(shù)字地震信號處理”課程設計介紹萬永革地震科學系2009年4月14日數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月摘要1.人才培養(yǎng)目標及課程的必要性2.學生職業(yè)能力分析及教學內(nèi)容取舍思路

3.解決過程5.教學效果4.理論及實踐教學內(nèi)容數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月結(jié)束人才培養(yǎng)目標地球物理專業(yè)是全國唯一以培養(yǎng)從事地震監(jiān)測預測方向的應用型高等技術(shù)專門人才為目標的特色專業(yè)，2007年12月被評定為教育部第二批特色專業(yè)。本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標是為我國防震減災事業(yè)，培養(yǎng)具有扎實的數(shù)學、物理學、地質(zhì)學和地球物理學基礎，掌握地震監(jiān)測、地震預測理論及技術(shù)，能在地震監(jiān)測預測及相關(guān)領域從事地震監(jiān)測及預測、地震觀測臺網(wǎng)建設維護、地震觀測儀器研發(fā)維修維護等工作的高級應用性專門人才，同時也為各地震相關(guān)研究所培養(yǎng)后備力量。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月開設課程的必要性由于地球上觀測的信號包含多種噪聲，如地脈動、固體潮、地球自由振蕩、臺風、爆破、汽車等人類活動干擾、太陽和太空及人類活動的電磁干擾，等等。如果對地球的某個物理過程進行分析，必須在分析數(shù)據(jù)頻譜成分的基礎上濾除與研究的地球物理過程無關(guān)的信號。因此數(shù)字信號處理的基礎知識和基本技能是對地球物理過程進行監(jiān)測的重要基礎和必備支撐。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月返回學生基礎與職業(yè)能力分析地球物理專業(yè)的學生并不需要清楚地研究數(shù)字信號處理的細節(jié)，而作為一種技術(shù)應用于地球物理過程的監(jiān)測。單純的數(shù)字信號處理課程涉及較深的數(shù)學理論，其內(nèi)容以Fourier變換、Laplace變換、z變換、復變函數(shù)的環(huán)路積分為基礎，這些內(nèi)容對數(shù)學基礎比較薄弱的?？茖W生掌握起來有一定困難。但該方面技能在地震監(jiān)測預測中的重要性使得?？茖W生必須掌握這種技能。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月解決方案為了使學生既能掌握足夠的數(shù)字信號處理技能，又不致陷入繁瑣的數(shù)學推導之中，真正體現(xiàn)以“必需夠用為度”的原則，我們認為以大量的數(shù)字信號處理實例訓練他們數(shù)字信號處理的技能是一種可行的思路。這樣就避免了“學院式”的理論推導，重點放在數(shù)字信號處理方法和技能的掌握。這就是我們在地球物理專業(yè)學生中進行數(shù)字地震信號處理教學的理念。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月返回解決過程我們聘請中國地震局地球物理研究所信號處理專家、中國地球物理學會信息技術(shù)專業(yè)委員會副主任兼秘書長沈萍研究員加入課題組，對地球物理中的數(shù)字信號處理技術(shù)進行深入研究、剖析，選擇典型的案例，以便學生能夠“比葫蘆畫瓢”地應用于類似的地球物理信號處理中，經(jīng)過反復訓練掌握基本原理和技能。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月解決過程我們花了大量時間編寫了數(shù)字信號處理技能形象顯示及應用的軟件，配合自主開發(fā)的數(shù)字信號處理軟件進行教學，這大大提高了教學效率。我們搜集了大量地球物理信息的實際資料，編制了典型地能反映數(shù)字信號處理效果的實例。通過實例給出了數(shù)字地震信號處理的技巧，使學生在應用中掌握數(shù)字信號處理的技能。通過MATLAB語言和數(shù)字信號處理技能相結(jié)合的教學，把理論分析與計算機仿真實驗相結(jié)合。數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月返回

本課程的目的是使學生掌握數(shù)字信號處理的基本技能及用于實際地震資料的能力，因此本課程在內(nèi)容選擇上盡量與其職業(yè)崗位工作內(nèi)容相對應。如：在分析頻率域的問題時，不僅給出頻率域分析的基本方法，而且盡量給出各類地震波（P波、S波、面波）、固體潮形變數(shù)據(jù)、地電觀測數(shù)據(jù)、地磁觀測數(shù)據(jù)的頻譜分析實例；在講解系統(tǒng)時，除了講述系統(tǒng)的一般原理外，還結(jié)合地震觀測系統(tǒng)和地震儀器進行講解；在講解濾波時，不僅介紹濾波器的基本原理和設計方法，而且盡量給出地震波、形變、電磁觀測的被污染信號的濾波技術(shù)，使得學生緊密結(jié)合自己的工作崗位和職業(yè)資格標準，起到事半功倍的效果。教學內(nèi)容：針對性和適用性數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月本課程知識模塊總體為四大部分，首先由連續(xù)變離散，介紹采樣定理、基本信號及其運算；第二講授數(shù)字信號的離散傅里葉變換及其快速算法；第三介紹系統(tǒng)的基本概念、模擬濾波器的設計；最后學習數(shù)字濾波器的基本概念和IIR濾波器、FIR濾波器的基本原理和設計方法。在課程教學中，遵循循序漸進的教學原則，有利于學生增強理解，深化認識；并在數(shù)字信號的時域、頻域分析以及數(shù)字系統(tǒng)的描述和分析方法方面建立牢固的知識體系，充分體現(xiàn)信號處理理論的規(guī)范性和一致性。教學內(nèi)容：知識模塊順序數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月本課程共分6章：第1、2章為振動的基礎知識、采樣定理、基本信號及其運算；第3章為Fourier變換、快速算法及應用；（頻譜分析）第4、5章介紹系統(tǒng)的基本概念及模擬濾波器的設計；（系統(tǒng)的基本概念）第6，7章為數(shù)字濾波器（包括IIR濾波器和FIR濾波器）。（濾波知識）教學內(nèi)容：知識模塊順序數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月在數(shù)字地震信號處理實踐教學中，開設有驗證性實驗、設計性實驗、擴展性綜合實驗等諸多環(huán)節(jié)。在實際教學中，突出仿真實驗教學與課堂教學的結(jié)合，在保證傳統(tǒng)驗證實驗的基礎上，利用Matlab仿真軟件，能實現(xiàn)理論教學與仿真實驗的有機結(jié)合。本課程設計和實現(xiàn)了10多個數(shù)字信號處理驗證性仿真實驗和5個設計性實驗。這些實驗可以直接在課堂的理論教學中通過多媒體演示，形成了在理論教學中直接插入仿真實驗的特點，增強了知識傳授中實驗教學的時效性和可觀測性。實踐表明，這種教學改革使學生加深了對知識點的理解，提高了學生分析問題和解決問題的能力。這是一種適應現(xiàn)代科技水平的、有效的實驗教學新方式，對于提高數(shù)字地震信號處理的教學質(zhì)量具有重要作用。實踐教學的設計思想數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月本課程還專門設立了一周的數(shù)字地震信號處理綜合性擴展實驗，在實驗中，學生針對實際地震波形開展了綜合性和設計性實驗，有助于學生加深對本課程基本理論的理解，同時提高了學生的實際動手能力，達到從理論到實際，并且不斷深化應用的教學效果。在綜合性實驗中，大量的觀測數(shù)據(jù)（首都圈臺網(wǎng)數(shù)據(jù)、云南臺網(wǎng)數(shù)據(jù)、浙江臺網(wǎng)數(shù)據(jù)等等）使得每個學生采用的處理方法和對象均不相同，得到的結(jié)論也不相同，從而培養(yǎng)他們的獨立分析能力和靈活性。實踐教學的設計思想與效果數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月本課程的重點包括掌握離散時間信號的時域、頻域分析方法，數(shù)字信號的離散傅里葉變換及其快速算法，數(shù)字濾波器的基本概念和IIR濾波器、FIR濾波器的基本原理和設計方法等。本課程的難點包括離散時間信號和系統(tǒng)的時域、頻域基本理論和分析方法，以及多種方法在分析各種離散時間信號和系統(tǒng)中的運用；離散傅里葉變換的快速算法的應用；數(shù)字濾波器設計實現(xiàn)等。解決的辦法是在數(shù)字信號處理的各個教學環(huán)節(jié)突出重點。在加強理論教學的同時，強調(diào)理論和實驗并重的方法來解決難點，其具體措施包括：采用我們課題組開發(fā)的基于MATLAB編制的“數(shù)字地震信號處理”軟件實驗包用于實驗和實驗仿真演示教學。通過計算機模擬仿真、實際數(shù)據(jù)的案例教學等多種教學方法來解決課程難點。教學內(nèi)容：重點與難點

數(shù)字地震信號處理課程建設2009年4月返回（1）仿真實驗補充或取代理論講解，使得學生的理解能力和采用計算機進行