[發(fā)明專利]CPU/GPU協(xié)同并行計算的混合域全波形反演方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310013786.6
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103135132A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉璐;劉洪;丁仁偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
• 主分類號: G01V1/28
• 分類號: G01V1/28
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 高萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種全波形反演法，尤其涉及通過CPU/GPU協(xié)同并行計算在混合域上執(zhí)行的全波形反演方法，屬于計算機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前我國西部及海外老油區(qū)開發(fā)的難度越來越大，深度不斷加深，對高精度的地球物理成像及反演方法需求很大；而高精度的成像方法最終還要依賴高精度速度模型的構(gòu)建。速度模型的反演方法根據(jù)反演信息使用的不同分為走時反演方法，振幅反演方法和全波形反演三類方法。由于全波形反演方法綜合利用疊前地震波場的動力學(xué)和運動學(xué)信息，能夠高精度地重建地下速度場，成為目前國內(nèi)外勘探地球物理研究的重要方向。

已有的全波形反演(Full?Waveform?Inversion，簡稱FWI)方法包括Tarantola在1984年提出的基于廣義最小二乘反演理論的時間域全波形反演，隨后Pratt，Shin等人在其基礎(chǔ)上分別發(fā)展了頻率域和拉普拉斯域的波形反演。全波形反演直接利用地震記錄反演地下介質(zhì)參數(shù)，充分地利用反射、折射等波形信息，在一定條件下，可以同時反演縱波速度、密度和橫波速度的相對變化，從而得到精度較高的速度模型，是目前國內(nèi)外勘探地球物理研究的重要方向。雖然全波形反演具有諸多的技術(shù)優(yōu)勢，但是由于全波形反演計算量巨大(約為逆時偏移的30-100倍)，難以實現(xiàn)三維處理，導(dǎo)致這種方法無法適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要。

在已有的研究中，對于全波形反演方法從計算方式上分為三類：第一類是時間域波形反演(Tarantola?1984，1986)，該方法利用全頻帶數(shù)據(jù)計算梯度場，由于目標(biāo)函數(shù)的極度非線性導(dǎo)致其易陷入局部極值，從而使反演不收斂；第二類是頻率域波形反演(Pratt?1998，1999)，此方法在頻率域做正演，之后在頻率域從低頻到高頻進(jìn)行逐頻(組)反演，相對高頻數(shù)據(jù)，低頻數(shù)據(jù)與速度模型具有更好的線性關(guān)系，該方法可以有效避免時間域反演過程中的局部極小問題；在頻率域正演的方法分為直接法(如：LU分解等)和迭代法兩種，由于迭代法效率低，頻率域正演多采用LU分解等直接法來求解，這種方法的優(yōu)勢是對阻抗矩陣進(jìn)行一次分解后，分解后的結(jié)果可以用于所有炮點的計算，計算效率高，該種方法也存在著難以克服的弊端，在三維情形下，LU分解內(nèi)存占用量和計算量均十分巨大，導(dǎo)致三維波形反演實現(xiàn)起來不現(xiàn)實。第三類是拉普拉斯域波形反演(Shin2008，2009)，該方法在頻率域波形反演的基礎(chǔ)上，對反演參數(shù)增加了衰減因子，所以反演不僅是從低頻到高頻，還從淺層到深層，從而減小了反演結(jié)果對初始模型的依賴，但是此方法也面臨與頻率域方法一樣的內(nèi)存瓶頸，也就是在其正演部分需要LU分解，致使三維計算實現(xiàn)困難。

目前在國內(nèi)，隨著勘探復(fù)雜度的增加，許多專家學(xué)者也開展了波形反演的研究及應(yīng)用工作，但是一般限于二維，難以用于三維?？傮w而言，波形反演技術(shù)從其誕生之日起，尤其是近幾年來一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點問題；國際上波形反演的研究開展的較多，尤其是國外工業(yè)界各個環(huán)節(jié)的研究都在緊張進(jìn)行。相反，國內(nèi)波形反演的研究應(yīng)用基本上處于起步階段，相對比較落后，因此，研究實用性強(qiáng)的波形反演方法對填補(bǔ)我國的技術(shù)空白具有重要的意義。

2007年的美國專利US11/756，384，“System?and?method?for?3D?frequency?domain?waveform?inversion?based?on?3D?time-domain?forward?modeling”，該發(fā)明所公開的技術(shù)方案中，提供了一種波形反演方法：首先將炮域數(shù)據(jù)利用DFT轉(zhuǎn)換到頻率域，然后利用時間域傳播算子和DFT計算頻率域震源正傳波場，在頻率域計算殘差波場，并進(jìn)一步利用逆離散傅里葉變換(Inverse?DiscreteFourier?Transform，簡稱IDFT)求取時間域的殘差波場，之后，用時間域傳播算子對殘差波場進(jìn)行反傳，并同樣利用DFT抽取頻率域殘差反傳波場，最后，求取當(dāng)前反演頻率的梯度場。

與本領(lǐng)域早期采用的計算方案相比較，該技術(shù)方案雖然取得了一定的進(jìn)步，但其流程步驟相對復(fù)雜，執(zhí)行效率受到一定影響；而且，混合域FWI中主要的耗時模塊(如DFT，時間域傳播算子等)并行粒度很細(xì)，僅采用CPU運算，未能最大程度地使程序并行化，計算效率會受到很大影響。本發(fā)明的反演策略與其不同，在此反演流程的基礎(chǔ)上少了一次DFT和一次IDFT；并進(jìn)一步，采用GPU/CPU協(xié)同并行運算，最大程度地使程序并行，明顯地增加了相對于CPU程序的加速比。

發(fā)明內(nèi)容