利用cuda的pml邊界三維地震波傳播模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地震波模擬技術(shù)，尤其涉及帶PML(最佳匹配層）邊界的三維GPU(圖 形處理器）地震波傳播模擬技術(shù)，具體來說就是一種利用CUDA(ComputeUnifiedDevice Architecture，計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)）的PML邊界三維地震波傳播模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震勘探是石油行業(yè)的上游業(yè)務(wù)，對(duì)勝利油田、大港油田以及華北油田的發(fā)現(xiàn)具 有重大貢獻(xiàn)，現(xiàn)今，在中國(guó)領(lǐng)土尋找石油儲(chǔ)備日益困難的情況下，研發(fā)一種高精度的地震勘 探方法是十分必要的。
[0003] 地震勘探包含地震采集、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，怎樣從采集的數(shù)據(jù)中提取出有效信息進(jìn) 而得到地下構(gòu)造的分布是數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。現(xiàn)今常規(guī)的處理方式有時(shí)間偏移、克西霍夫深 度偏移、單程波偏移。但是，由于中國(guó)的地質(zhì)構(gòu)造比較特殊，需要對(duì)規(guī)模較小的構(gòu)造體呈像， 比如，對(duì)于串珠狀構(gòu)造，精確知道其水平位置和垂直位置是指導(dǎo)鉆井的關(guān)鍵。隨時(shí)技術(shù)的進(jìn) 步，近幾年出現(xiàn)的逆時(shí)偏移技術(shù)可以更加精確的成像，但其計(jì)算量太大，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)無法實(shí) 現(xiàn)，因而大幅度減少計(jì)算時(shí)間是能把較好的技術(shù)應(yīng)用到石油勘探，進(jìn)而尋找到更多油井的 關(guān)鍵。
[0004] 進(jìn)一步來說，逆時(shí)偏移技術(shù)的核心是地震波傳播模擬，只有具有快速準(zhǔn)確的地震 波傳播模擬，才能實(shí)現(xiàn)成像效果好且實(shí)用的逆時(shí)偏移。
[0005] 常規(guī)實(shí)現(xiàn)地震波模擬是使用中央處理器（CPU)計(jì)算，但是這種計(jì)算方法即便借助 OpenMP和MPI(多點(diǎn)接口）等并行技術(shù)，計(jì)算依然十分耗時(shí)，不能達(dá)到使用要求，而且逆時(shí)偏 移技術(shù)又需要多次使用地震波模擬過程，因此，耗時(shí)的地震波模擬使得計(jì)算量巨大的逆時(shí) 偏移技術(shù)根本無法實(shí)際應(yīng)用。
[0006] 因此，本領(lǐng)域亟需一種將逆時(shí)偏移技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到地震波模擬過程中，并且模擬 數(shù)據(jù)處理時(shí)間短的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法，采用邊界吸收 效果最好的PML技術(shù)，將三維速度模型加邊形成新的三維速度模型，采用中央處理器（CPU) 計(jì)算新三維速度模型的面、棱、角的衰減系數(shù)，采用圖片處理器（GPU)計(jì)算新三維速度模型 的網(wǎng)格點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度值和應(yīng)力，充分發(fā)揮CPU和GPU的各自優(yōu)勢(shì)，解決現(xiàn)有技術(shù)中地震波模 擬數(shù)值計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題。
[0008] 本發(fā)明的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法，所述利用CUDA的 PML邊界三維地震波傳播模擬方法包括：讀入初始參數(shù)和雷克子波；將三維地震波的第一 聲波波動(dòng)方程中的應(yīng)力分解成相互垂直三個(gè)方向的應(yīng)力分量，并加入PML邊界條件形成第 二聲波波動(dòng)方程；運(yùn)用有限差分方法將所述第二聲波波動(dòng)方程離散化形成有限差分聲波波 動(dòng)方程；給所述第一三維速度模型加邊形成一第二三維速度模型；根據(jù)有限差分聲波波動(dòng) 方程在中央處理器（CPU)中計(jì)算所述第二三維速度模型的棱、角、面的衰減系數(shù)；根據(jù)所述 衰減系數(shù)在圖像處理器（GPU)中計(jì)算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點(diǎn)的應(yīng)力；以及根據(jù)所述 應(yīng)力輸出最后時(shí)刻的三維地震波模擬記錄。
[0009] 本發(fā)明提供了一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法，采用邊界吸收 效果最好的PML技術(shù)，將三維速度模型加邊形成新的三維速度模型，采用中央處理器（CPU) 計(jì)算新三維速度模型的面、棱、角的衰減系數(shù)，采用圖片處理器（GPU)計(jì)算新三維速度模型 的網(wǎng)格點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度值和應(yīng)力，同時(shí)考慮到GPU內(nèi)存類型不同特點(diǎn)，當(dāng)需要計(jì)算下一個(gè)網(wǎng) 格點(diǎn)的值時(shí)，僅需要更新部分寄存器內(nèi)的數(shù)值，大大提高了計(jì)算效率，充分發(fā)揮CPU和GPU 的各自優(yōu)勢(shì)，減少了機(jī)時(shí)和能耗，達(dá)到較高的加速比。
[0010] 應(yīng)了解的是，上述一般描述及以下【具體實(shí)施方式】?jī)H為示例性及闡釋性的，其并不 能限制本發(fā)明所欲主張的范圍。
【附圖說明】
[0011] 下面的所附附圖是本發(fā)明的說明書的一部分，其繪示了本發(fā)明的示例實(shí)施例，所 附附圖與說明書的描述一起用來說明本發(fā)明的原理。
[0012] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法 的實(shí)施方式一的流程圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法 的實(shí)施方式二的流程圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種在GPU中計(jì)算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點(diǎn)的質(zhì) 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和應(yīng)力的流程圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用GPU內(nèi)不同類型內(nèi)存的性質(zhì)計(jì)算第二三維速 度模型的網(wǎng)格點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和應(yīng)力的示意圖；
[0016] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬裝置 的框圖；
[0017] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用傳統(tǒng)CPU計(jì)算出的波場(chǎng)快照?qǐng)D；
[0018] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用本發(fā)明計(jì)算出的波場(chǎng)快照?qǐng)D。
[0019] 附圖符號(hào)說明：
[0020] 10 震源產(chǎn)生單元 20 應(yīng)力分解單元
[0021] 30 有限差分處理單元40 加邊單元
[0022] 50 第一計(jì)算單元 60 第二計(jì)算單元
[0023] 70 記錄單元 80 分析單元
[0024] S101 ~S107 步驟S4061 ~S4064 步驟
[0025] S401 ~S407 步驟
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面將以附圖及詳細(xì) 敘述清楚說明本發(fā)明所揭示內(nèi)容的精神，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本
【發(fā)明內(nèi)容】
的 實(shí)施例后，當(dāng)可由本
【發(fā)明內(nèi)容】
所教示的技術(shù)，加以改變及修飾，其并不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
的精 神與范圍。
[0027] 本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。 另外，在附圖及實(shí)施方式中所使用相同或類似標(biāo)號(hào)的元件/構(gòu)件是用來代表相同或類似部 分。
[0028] 關(guān)于本文中所使用的"第一"、"第二"、…等，并非特別指稱次序或順位的意思，也 非用以限定本發(fā)明，其僅為了區(qū)別以相同技術(shù)用語描述的元件或操作。
[0029] 關(guān)于本文中所使用的方向用語，例如：上、下、左、右、前或后等，僅是參考附圖的方 向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本創(chuàng)作。
[0030] 關(guān)于本文中所使用的"包含"、"包括"、"具有"、"含有"等等，均為開放性的用語，即 意指包含但不限于。
[0031] 關(guān)于本文中所使用的"及/或"，包括所述事物的任一或全部組合。
[0032] 關(guān)于本文中所使用的用語"大致"、"約"等，用以修飾任何可以微變化的數(shù)量或誤 差，但這些微變化或誤差并不會(huì)改變其本質(zhì)。一般而言，此類用語所修飾的微變化或誤差的 范圍在部分實(shí)施例中可為20 %，在部分實(shí)施例中可為10 %，在部分實(shí)施例中可為5 %或是 其他數(shù)值。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，前述提及的數(shù)值可依實(shí)際需求而調(diào)整，并不以此為 限。
[0033] 關(guān)于本文中所使用的用詞（terms)，除有特別注明外，通常具有每個(gè)用詞使用在此 領(lǐng)域中、在此申請(qǐng)的內(nèi)容中與特殊內(nèi)容中的平常意義。某些用以描述本申請(qǐng)的用詞將于下 或在此說明書的別處討論，以提供本領(lǐng)域技術(shù)人員在有關(guān)本申請(qǐng)的描述上額外的引導(dǎo)。
[0034] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法 的實(shí)施方式一的流程圖，如圖1所示，一種利用計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)（CUDA)的最佳匹配層 (PML)邊界三維地震波傳播模擬方法，所述利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法 包括：
[0035] S101 :讀入初始參數(shù)和雷克子波；
[0036] S102 :將三維地震波的第一聲波波動(dòng)方程中的應(yīng)力分解成相互垂直三個(gè)方向的應(yīng) 力分量，并加入PML邊界條件形成第二聲波波動(dòng)方程；
[0037]S103:運(yùn)用有限差分方法將所述第二聲波波動(dòng)方程離散化形成有限差分聲波波動(dòng) 方程；
[0038] S104 :給所述第一三維速度模型加邊形成一第二三維速度模型；
[0039] S105 :根據(jù)有限差分聲波波動(dòng)方程在中央處理器CPU中計(jì)算所述第二三維速度模 型的棱、角、面的衰減系數(shù)；
[0040] S106 :根據(jù)所述衰減系數(shù)在圖像處理器GPU中計(jì)算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點(diǎn) 的應(yīng)力；以及
[0041] S107 :根據(jù)所述應(yīng)力輸出最后時(shí)刻的三維地震波模擬記錄。
[0042] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明提供的地震波模擬方法可以精確地模擬地震波在介質(zhì)中的傳播， 加入的PML邊界條件能有效消除人工邊界反射，擴(kuò)展到三維能滿足實(shí)際勘探的需求，采用 優(yōu)化的策略運(yùn)用GPU進(jìn)行計(jì)算可以大大提高計(jì)算效率，相比同價(jià)位的CPU計(jì)算，原來需要7 天能完成的計(jì)算，運(yùn)用本申請(qǐng)公開的技術(shù)方案所述模擬流程只需要1小時(shí)，大大減少了機(jī) 時(shí)和能耗。
[0043] 本發(fā)明一具體實(shí)施例中，所述初始參數(shù)包括：炮點(diǎn)位置、檢波點(diǎn)位置、時(shí)間步長(zhǎng)和 地震波模擬時(shí)長(zhǎng)等。這些可根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的需求合理設(shè)定，能夠滿足各種模擬實(shí)驗(yàn)需求，擴(kuò) 大了本發(fā)明的適用范圍。
[0044] 本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，所述三維地震波模擬記錄可以為波場(chǎng)快照?qǐng)D，所 述波場(chǎng)快照?qǐng)D是根據(jù)所述應(yīng)力的大小繪制出來的。通過波場(chǎng)快照?qǐng)D可以直觀看到三維地震 波模擬技術(shù)是否能夠很好地消除邊界反射影響；根據(jù)應(yīng)力的大小繪制出波場(chǎng)快照?qǐng)D，實(shí)現(xiàn) 起來簡(jiǎn)單方便，可操作性強(qiáng)。
[0045] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用CUDA的PML邊界三維地震波傳播模擬方法 的