数字地震信号处理课程设计介绍

“数字地震信号处理”课程设计介绍万永革地震科学系2009年4月14日数字地震信号处理课程建设2009年4月摘要1.人才培养目标及课程的必要性2.学生职业能力分析及教学内容取舍思路

3.解决过程5.教学效果4.理论及实践教学内容数字地震信号处理课程建设2009年4月结束人才培养目标地球物理专业是全国唯一以培养从事地震监测预测方向的应用型高等技术专门人才为目标的特色专业，2007年12月被评定为教育部第二批特色专业。本专业的人才培养目标是为我国防震减灾事业，培养具有扎实的数学、物理学、地质学和地球物理学基础，掌握地震监测、地震预测理论及技术，能在地震监测预测及相关领域从事地震监测及预测、地震观测台网建设维护、地震观测仪器研发维修维护等工作的高级应用性专门人才，同时也为各地震相关研究所培养后备力量。数字地震信号处理课程建设2009年4月开设课程的必要性由于地球上观测的信号包含多种噪声，如地脉动、固体潮、地球自由振荡、台风、爆破、汽车等人类活动干扰、太阳和太空及人类活动的电磁干扰，等等。如果对地球的某个物理过程进行分析，必须在分析数据频谱成分的基础上滤除与研究的地球物理过程无关的信号。因此数字信号处理的基础知识和基本技能是对地球物理过程进行监测的重要基础和必备支撑。数字地震信号处理课程建设2009年4月返回学生基础与职业能力分析地球物理专业的学生并不需要清楚地研究数字信号处理的细节，而作为一种技术应用于地球物理过程的监测。单纯的数字信号处理课程涉及较深的数学理论，其内容以Fourier变换、Laplace变换、z变换、复变函数的环路积分为基础，这些内容对数学基础比较薄弱的专科学生掌握起来有一定困难。但该方面技能在地震监测预测中的重要性使得专科学生必须掌握这种技能。数字地震信号处理课程建设2009年4月解决方案为了使学生既能掌握足够的数字信号处理技能，又不致陷入繁琐的数学推导之中，真正体现以“必需够用为度”的原则，我们认为以大量的数字信号处理实例训练他们数字信号处理的技能是一种可行的思路。这样就避免了“学院式”的理论推导，重点放在数字信号处理方法和技能的掌握。这就是我们在地球物理专业学生中进行数字地震信号处理教学的理念。数字地震信号处理课程建设2009年4月返回解决过程我们聘请中国地震局地球物理研究所信号处理专家、中国地球物理学会信息技术专业委员会副主任兼秘书长沈萍研究员加入课题组，对地球物理中的数字信号处理技术进行深入研究、剖析，选择典型的案例，以便学生能够“比葫芦画瓢”地应用于类似的地球物理信号处理中，经过反复训练掌握基本原理和技能。数字地震信号处理课程建设2009年4月解决过程我们花了大量时间编写了数字信号处理技能形象显示及应用的软件，配合自主开发的数字信号处理软件进行教学，这大大提高了教学效率。我们搜集了大量地球物理信息的实际资料，编制了典型地能反映数字信号处理效果的实例。通过实例给出了数字地震信号处理的技巧，使学生在应用中掌握数字信号处理的技能。通过MATLAB语言和数字信号处理技能相结合的教学，把理论分析与计算机仿真实验相结合。数字地震信号处理课程建设2009年4月返回

本课程的目的是使学生掌握数字信号处理的基本技能及用于实际地震资料的能力，因此本课程在内容选择上尽量与其职业岗位工作内容相对应。如：在分析频率域的问题时，不仅给出频率域分析的基本方法，而且尽量给出各类地震波（P波、S波、面波）、固体潮形变数据、地电观测数据、地磁观测数据的频谱分析实例；在讲解系统时，除了讲述系统的一般原理外，还结合地震观测系统和地震仪器进行讲解；在讲解滤波时，不仅介绍滤波器的基本原理和设计方法，而且尽量给出地震波、形变、电磁观测的被污染信号的滤波技术，使得学生紧密结合自己的工作岗位和职业资格标准，起到事半功倍的效果。教学内容：针对性和适用性数字地震信号处理课程建设2009年4月本课程知识模块总体为四大部分，首先由连续变离散，介绍采样定理、基本信号及其运算；第二讲授数字信号的离散傅里叶变换及其快速算法；第三介绍系统的基本概念、模拟滤波器的设计；最后学习数字滤波器的基本概念和IIR滤波器、FIR滤波器的基本原理和设计方法。在课程教学中，遵循循序渐进的教学原则，有利于学生增强理解，深化认识；并在数字信号的时域、频域分析以及数字系统的描述和分析方法方面建立牢固的知识体系，充分体现信号处理理论的规范性和一致性。教学内容：知识模块顺序数字地震信号处理课程建设2009年4月本课程共分6章：第1、2章为振动的基础知识、采样定理、基本信号及其运算；第3章为Fourier变换、快速算法及应用；（频谱分析）第4、5章介绍系统的基本概念及模拟滤波器的设计；（系统的基本概念）第6，7章为数字滤波器（包括IIR滤波器和FIR滤波器）。（滤波知识）教学内容：知识模块顺序数字地震信号处理课程建设2009年4月在数字地震信号处理实践教学中，开设有验证性实验、设计性实验、扩展性综合实验等诸多环节。在实际教学中，突出仿真实验教学与课堂教学的结合，在保证传统验证实验的基础上，利用Matlab仿真软件，能实现理论教学与仿真实验的有机结合。本课程设计和实现了10多个数字信号处理验证性仿真实验和5个设计性实验。这些实验可以直接在课堂的理论教学中通过多媒体演示，形成了在理论教学中直接插入仿真实验的特点，增强了知识传授中实验教学的时效性和可观测性。实践表明，这种教学改革使学生加深了对知识点的理解，提高了学生分析问题和解决问题的能力。这是一种适应现代科技水平的、有效的实验教学新方式，对于提高数字地震信号处理的教学质量具有重要作用。实践教学的设计思想数字地震信号处理课程建设2009年4月本课程还专门设立了一周的数字地震信号处理综合性扩展实验，在实验中，学生针对实际地震波形开展了综合性和设计性实验，有助于学生加深对本课程基本理论的理解，同时提高了学生的实际动手能力，达到从理论到实际，并且不断深化应用的教学效果。在综合性实验中，大量的观测数据（首都圈台网数据、云南台网数据、浙江台网数据等等）使得每个学生采用的处理方法和对象均不相同，得到的结论也不相同，从而培养他们的独立分析能力和灵活性。实践教学的设计思想与效果数字地震信号处理课程建设2009年4月本课程的重点包括掌握离散时间信号的时域、频域分析方法，数字信号的离散傅里叶变换及其快速算法，数字滤波器的基本概念和IIR滤波器、FIR滤波器的基本原理和设计方法等。本课程的难点包括离散时间信号和系统的时域、频域基本理论和分析方法，以及多种方法在分析各种离散时间信号和系统中的运用；离散傅里叶变换的快速算法的应用；数字滤波器设计实现等。解决的办法是在数字信号处理的各个教学环节突出重点。在加强理论教学的同时，强调理论和实验并重的方法来解决难点，其具体措施包括：采用我们课题组开发的基于MATLAB编制的“数字地震信号处理”软件实验包用于实验和实验仿真演示教学。通过计算机模拟仿真、实际数据的案例教学等多种教学方法来解决课程难点。教学内容：重点与难点

数字地震信号处理课程建设2009年4月返回（1）仿真实验补充或取代理论讲解，使得学生的理解能力和采用计算机进行