利用cuda的pml邊界三維地震波傳播模擬方法
【技術(shù)領域】
[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，計算統(tǒng)一設備架構(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，對勝利油田、大港油田以及華北油田的發(fā)現(xiàn)具 有重大貢獻，現(xiàn)今，在中國領土尋找石油儲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 而得到地下構(gòu)造的分布是數(shù)據(jù)處理的任務?，F(xiàn)今常規(guī)的處理方式有時間偏移、克西霍夫深 度偏移、單程波偏移。但是，由于中國的地質(zhì)構(gòu)造比較特殊，需要對規(guī)模較小的構(gòu)造體呈像， 比如，對于串珠狀構(gòu)造，精確知道其水平位置和垂直位置是指導鉆井的關(guān)鍵。隨時技術(shù)的進 步，近幾年出現(xiàn)的逆時偏移技術(shù)可以更加精確的成像，但其計算量太大，現(xiàn)在計算機無法實 現(xiàn)，因而大幅度減少計算時間是能把較好的技術(shù)應用到石油勘探，進而尋找到更多油井的 關(guān)鍵。
[0004] 進一步來說，逆時偏移技術(shù)的核心是地震波傳播模擬，只有具有快速準確的地震 波傳播模擬，才能實現(xiàn)成像效果好且實用的逆時偏移。
[0005] 常規(guī)實現(xiàn)地震波模擬是使用中央處理器（CPU)計算，但是這種計算方法即便借助 OpenMP和MPI(多點接口）等并行技術(shù)，計算依然十分耗時，不能達到使用要求，而且逆時偏 移技術(shù)又需要多次使用地震波模擬過程，因此，耗時的地震波模擬使得計算量巨大的逆時 偏移技術(shù)根本無法實際應用。
[0006] 因此，本領域亟需一種將逆時偏移技術(shù)實際應用到地震波模擬過程中，并且模擬 數(shù)據(jù)處理時間短的技術(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)計算新三維速度模型 的網(wǎng)格點的質(zhì)點速度值和應力，充分發(fā)揮CPU和GPU的各自優(yōu)勢，解決現(xiàn)有技術(shù)中地震波模 擬數(shù)值計算時間過長的問題。
[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 聲波波動方程中的應力分解成相互垂直三個方向的應力分量，并加入PML邊界條件形成第 二聲波波動方程；運用有限差分方法將所述第二聲波波動方程離散化形成有限差分聲波波 動方程；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 方程在中央處理器（CPU)中計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)中計算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點的應力；以及根據(jù)所述 應力輸出最后時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)計算新三維速度模型 的網(wǎng)格點的質(zhì)點速度值和應力，同時考慮到GPU內(nèi)存類型不同特點，當需要計算下一個網(wǎng) 格點的值時，僅需要更新部分寄存器內(nèi)的數(shù)值，大大提高了計算效率，充分發(fā)揮CPU和GPU 的各自優(yōu)勢，減少了機時和能耗，達到較高的加速比。
[0010] 應了解的是，上述一般描述及以下【具體實施方式】僅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 的實施方式一的流程圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明實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 的實施方式二的流程圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明實施例提供的一種在GPU中計算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點的質(zhì) 點運動速度和應力的流程圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明實施例提供的一種利用GPU內(nèi)不同類型內(nèi)存的性質(zhì)計算第二三維速 度模型的網(wǎng)格點的質(zhì)點運動速度和應力的示意圖；
[0016] 圖5為本發(fā)明實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)明實施例提供的利用傳統(tǒng)CPU計算出的波場快照圖；
[0018] 圖7為本發(fā)明實施例提供的利用本發(fā)明計算出的波場快照圖。
[0019] 附圖符號說明：
[0020] 10 震源產(chǎn)生單元 20 應力分解單元
[0021] 30 有限差分處理單元40 加邊單元
[0022] 50 第一計算單元 60 第二計算單元
[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
【具體實施方式】
[0026] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面將以附圖及詳細 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)領域技術(shù)人員在了解本
【發(fā)明內(nèi)容】
的 實施例后，當可由本
【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)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。 另外，在附圖及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/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 范圍在部分實施例中可為20 %，在部分實施例中可為10 %，在部分實施例中可為5 %或是 其他數(shù)值。本領域技術(shù)人員應當了解，前述提及的數(shù)值可依實際需求而調(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，通常具有每個用詞使用在此 領域中、在此申請的內(nèi)容中與特殊內(nèi)容中的平常意義。某些用以描述本申請的用詞將于下 或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術(shù)人員在有關(guān)本申請的描述上額外的引導。
[0034] 圖1為本發(fā)明實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 的實施方式一的流程圖，如圖1所示，一種利用計算統(tǒng)一設備架構(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方程中的應力分解成相互垂直三個方向的應 力分量，并加入PML邊界條件形成第二聲波波動方程；
[0037]S103:運用有限差分方法將所述第二聲波波動方程離散化形成有限差分聲波波動 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)有限差分聲波波動方程在中央處理器CPU中計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中計算所述第二三維速度模型網(wǎng)格點 的應力；以及
[0041] S107 :根據(jù)所述應力輸出最后時刻的三維地震波模擬記錄。
[0042] 參照圖1，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，擴展到三維能滿足實際勘探的需求，采用 優(yōu)化的策略運用GPU進行計算可以大大提高計算效率，相比同價位的CPU計算，原來需要7 天能完成的計算，運用本申請公開的技術(shù)方案所述模擬流程只需要1小時，大大減少了機 時和能耗。
[0043] 本發(fā)明一具體實施例中，所述初始參數(shù)包括：炮點位置、檢波點位置、時間步長和 地震波模擬時長等。這些可根據(jù)實驗人員的需求合理設定，能夠滿足各種模擬實驗需求，擴 大了本發(fā)明的適用范圍。
[0044] 本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述三維地震波模擬記錄可以為波場快照圖，所 述波場快照圖是根據(jù)所述應力的大小繪制出來的。通過波場快照圖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)應力的大小繪制出波場快照圖，實現(xiàn) 起來簡單方便，可操作性強。
[0045] 圖2為本發(fā)明實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