[发明专利]GPU并行三维地震波场生成方法和系统

说明书

本发明公布了一种基于GPU并行加速的三维地震波场的正演模拟方法及其系统，属于数值模拟与高性能计算技术领域。本发明对地震波传播方程进行高阶有限差分，通过数值模拟计算得到高精度的勘探地震波传播数据，在计算过程中，通过GPU并行加速处理，高精度地、高效地生成地面地震记录数据和波场切片结果。通过本发明，能够实现高精度、高效率地求解三维地震波动方程，大大提高计算效率的同时，有效提高计算精度。

技术领域

本发明属于数值模拟与高性能计算技术领域，涉及地震波场正演模拟方法，具体涉及一种基于GPU并行加速的三维地震波场的正演模拟方法及其系统。

背景技术

地震波场正演模拟是有效反映地下介质构造变化的一种数值模拟方法。随着油气勘探开发技术的发展，以及计算机运算能力的提升，地震波场正演模拟的方法已得到了广泛的应用。

地震波场数值正演模拟是在地下介质结构和参数已知的情况下，利用理论计算的方法研究地震波在地下介质中的传播规律，并获得人工合成地震记录的一种技术。在现有的方法中，有限差分方法具有很好的灵活性而被广泛应用于数值计算之中。

其中，有限差分方法的研究始于1968年，Alterman和Karal在文献[1]中，首先将弹性波有限差分模拟的方法应用到了拟合地层的层状介质中。之后，有限差分技术快速发展，文献[2]记载了Alford等比较了高阶差分与低阶差分保持同样精度时对网格间距的要求，深入研究有限差分法算法精度。随后，Kelly等文献[3]中研究了用有限差分法人工合成了地震记录，将方法与实际数据紧紧连系在了一起。在文献[4]中，Virieux提出了稳定有限差分交错网格的差分形式，适用于任何泊松比的介质，同时，交错网格提高了局部计算精度和算法的稳定性。之后，文献[5]记载了Levander将Virieux的结果进行了差分阶数的提升，得到更高精度的结果。在文献[6]中，Crase则将精度提高到任意阶数，进行高阶差分，因而对CPU、内存以及储存空间的要求也大大提升。在文献[7]中，Graves又在三维空间下完成了这一方法的实践应用，使该方法更好的结合到我们实际的勘探工作中。董国良等在文献[8]～[9]中对一阶弹性波交错网格高阶差分的方法以及其稳定性问题进行了深入研究。文献[10]中记载了张剑锋和刘铁林将网格的研究进一步发展，提出了矩形网格和三角网格相结合的方法，提高有限差分法在构造较复杂地区结果的精度。在文献[11]中，董国良和李培明又在前人的基础上针对频散这一问题进行了更加详细的讨论。文献[12]记载了李胜军等对地震波数值模拟中的频散压制方法的总结分析。之后，有限差分方法越来越多的应用到了勘探工业界，在实际工作中起着重要作用。目前，有限差分法可以说是最常用的数值模拟方法，已经较为成熟，它正向着高精度和高效率的波场模拟方向发展。

正演模拟的方法还包括限元法、伪谱法、克希霍夫积分法等等。但从方法上而言，在有限差分法中，我们用相应的空间、时间的差分代替波场函数的空间、时间导数，对于各种条件下的介质都有着广泛的应用，能够真实并准确地模拟波在地下介质中的运动方式。同时，其具有运算快、数据量小的优势，这是其他方法都难以比拟的。因此，该方法是勘探应用最重要的方法之一。

在数值模拟计算中，中央处理器CPU能完成复杂的逻辑运算，但其串行的结构限制了单位时间内运算的数据量，运算效率较低。近几年以来，图形处理器在并行计算中逐渐被广泛应用。文献[13]～[14]记载了图形处理器GPU采用的是浮点运算，其多核运算模式在数据量庞大的科学计算上有着巨大的优势。2007年，GPU技术迈出了历史性的一步，NVIDIA公司推出了CUDA平台，并开发了CUDA C语言，这一进步大大降低编译工作者的工作难度，程序也直接可以以C语言的形式进行编译开发。同时，CUDA是一种CPU和GPU的混合编程平台，其上代码不但包括GPU上的并行计算运行指令，还包括CPU上逻辑串行指令部分；在GPU上运行的程序为内核函数(Kernel)。CUDA并行程序将直接控制GPU上的数据操作，操作完成之后，CUDA指令可以控制主机端和设备端之间的数据交换，此外，CUDA还可以控制设备存储空间的分配和释放，管理纹理内存储空间。