Spektralanalyse. Spektralanalyse ist derart wichtig in allen Naturwissenschaften, dass man deren Bedeutung nicht überbewerten kann!

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Spektralanalyse

Transkript:

Spektralanalyse Spektralanalyse ist derart wichtig in allen Naturwissenschaften, dass man deren Bedeutung nicht überbewerten kann! Mit der Spektralanalyse können wir Antworten auf folgende Fragen bekommen: Welche (räumliche oder zeitliche) Frequenzen sind in meinem Signal enthalten? Gibt es ein periodisches Signal in meinen Beobachtungen? Muss ich die Eigenschaften des Messinstruments (z.b. Seismometer) einbeziehen um das physikalische Signal zu erhalten? Muss ich das Signal filtern, um das physikalische Signal zu sehen? und, und, und

Geologie

Empfohlene Lektüre Chapter 2, Keary et al., Introduction to Geophysical Exploration

Harmonische Analyse Spektralzerlegung Der Kern der Spektralanalyse ist eines der wichtigsten Theoreme der mathematischen Physik: Jedes endliche periodische Signal kann mit Hilfe von überlagerten harmonischen (Sinus-, Cosinus-) Signalen dargestellt (approximiert) werden. Die Repräsentation des (diskreten) physikalischen Systems durch Zeit (Raum) oder durch Frequenz (Wellenzahl) ist (unterbestimmten Voraussetzungen) äquivalent! Es gibt keinen Informationsverlust, wenn man von dem einen Raum in den anderen transformiert, oder zurück.

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Mathematische Beschreibung (ungerade Funktionen) Eine Sinusfunktion (A Amplitude, λ Wellenlänge) wird repräsentiert durch: Ignoriert man die Phasenverschiebung, so kann man ein beliebiges Signal erhalten durch Überlagerung von (a 0 an beiden Enden) Hierbei ist L die Länge des Bereichs (räumlich oder zeitlich). Die Sequenz der Wellenlängen/Perioden ist: 2L, L, 2/3L, L/2

Die Fourier Komponenten (ungerade Funktionen) Die Amplituden/Koeffizienten (a n ) der Fourier Basisfunktionen (sin oder cos) erhält man durch Integration des Signals Durchschnittswert des Signals Spektrale Komponente

Fouierreihen beliebige Funktionen Intervall [-L, L] Die a n und b n sind die Anteile der verschiedenen Frequenzen!

Beispiel: Fourier Näherung der Funktion x Mit der Fourierreihe.. für n<4

Beispiel: Fourier Näherung der Funktion x 2 Mit der Fourierreihe... Für N<11.

Fourier: Raum und Zeit Raum x räumliche Variable L räumliche Wellenlänge k=2π/λ Räumliche Wellenzahl F(k) Wellenzahl Spektrum Zeit t zeitliche Variable T Periode f Frequenz ω=2πf Kreisfrequenz Fourierintegrale Mit der komplexen Darstellung der Sinusfunktionen e ikx (oder e iwt ) wird die Fouriertransformation einer Funktion f(x) wie folgt geschrieben (VORSICHT: es gibt verschiedene Definitionen!)

Die Fourier Transformation diskret vs. kontinuierlich Wenn wir mit dem Computer Daten verarbeiten, wird es stets auf der diskreten Fouriertransformation basieren. kontinuierlich Diskret & endlich

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The Fast Fourier Transform (FFT) Die meisten Verarbeitunsprogramme wie Octave, Matlab, Python, Mathematica, Fortran, etc. haben implementierte Funktionen für FFTs Matlab FFT Die FFT ist eine clevere Ausnutzung von Symmetrien und führt zu einer enormen Beschleunigung der FT für große Vektoren

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Fourier Spektren: Impulsfunktion (Deltafunktion) idealisiert Ein unendlich scharfer Impuls enthält alle Frequenzen. Ein Spektrum mit gleichmäßiger Verteilung aller Frequenzen nennt man weißes Spektrum

Fourier Spektren: Gauss-förmige Signale Das Spektrum einer Gauss-Funktion ist selbst eine Gauss-Funktion. Wie verändert sich das Spektrum, wenn man die Gauss-Funktion verengt?

Puls-Breite und Frequenz-Bandbreite Unschärferelation Zeit (Raum) Spektrum Verengen des physikalischen Signals Verbreitern der Frequenzbandbreite

Zeit-Frequenz Analyse 24 Std Bodenbewegung, sehen Sie ein Signal?

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a - 440Hz Der Ton eines Instruments

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Das Instrument Erde 26.-29.12.2004 (FFB ) 0 S 2 der Erde tiefster Ton T=3233.5s =53.9min Theoretical eigenfrequencies

Das Instrument Erde

Eigenschwingungen der Erde Torsional mode, n=0, l=5, m =4. period 18 minutes Source: http://icb.u-bourgogne.fr/nano/manapi/saviot/terre/index.en.html

Ein Seismogramm und sein Spektrum Zeit (s) Spektralamplitude Amplitude Frequenz (Hz)

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Geologie

Zusammenfassung Zeitreihen werden in der Regel mit Hilfe der Spektralanalyse bearbeitet. Eine Zeitreihe kann in den Spektralbereich transformiert werden, d.h. das Signal wird in seine Spektralanteile zerlegt. Zeitreihen werden in ein Amplitudenspektrum und ein Phasenspektrum zerlegt Im Spektralbereich kann an erkennen, welche Frequenzen am Signal maßgeblich beteiligt sind. Um zu erkennen, wann welche Frequenzen auftreten, wendet man die Zeit-Frequenzanalyse an. Die Transformation vom Zeit in den Frequenzbereich ist die Fouriertransformation