[發明專利]一種基于FPGA全波形反演的頻率成分波場信息提取方法

在審

• 申請號: 202111127625.0
• 申請日: 2021-09-26
• 公開（公告）號: CN113791445A
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 陳劍飛;許康
• 申請（專利權）人: 上海雪湖科技有限公司
• 主分類號: G01V1/28
• 分類號: G01V1/28;G01V1/30
• 代理公司: 上海申晟知識產權代理有限公司 31444
• 代理人: 張仁杰

本發明涉及到油氣勘探技術領域，尤其涉及到一種基于FPGA全波形反演的頻率成分波場信息提取方法，本發明利用FPGA的并行計算及硬件加速性能優勢，結合全波形反演的特點，在正演得到時間域地震記錄后靈活運用特定頻率成分因子提取特定頻率成分的波場值，將時間域波場轉換到頻率域為實現頻率域的全波形反演提供需要的頻率域波場值，本發明采用流水式數據處理方式，將數據準備和傳輸時間完全淹沒在計算中，大大縮短了算法的計算時間。

技術領域

本發明涉及到油氣勘探技術領域，尤其涉及到一種基于FPGA全波形反演的頻率成分波場信息提取方法。

背景技術

提高反演算法的效率和精度，更加快速準確的獲取地下介質特征，是油氣勘探和復雜的工程地球物理探測永恒的目標。地震勘探是利用地震觀測資料定量估計出地下介質的相關屬性，為找尋油氣資源提供依據，反演是油氣勘探的主要手段之一。

傳統的反演方法，通常只使用地震響應中的部分信息，這就導致地震響應中的有些有用信息被忽略。隨著油氣勘探復雜程度的加深，疊前全波形反演(Full WaveformInversion,FWI)方法作為一種能夠客觀反應地震波傳播規律，適用于任意地質模型為研究地球深部構造、中深部找礦找油、淺地表地質環境調查以及工程建設等工作提供技術支持的方法越來越受到人們的重視。全波形反演是基于逆時偏移技術發展起來的一種新的地震成像技術，不同的是逆勢偏移技術反傳的是地震記錄，并在模型空間得到一次成像，模型并沒用得到更新；而全波形反演技術反傳的是地震記錄的殘差，模型不斷的更新直至野外觀測記錄和模擬記錄的匹配達到技術要求，最終的反演模型就是我們所能求取的最佳模型，但需要提供滿足一定精度的初始模型。擁有相似的理論框架的逆時偏移技術的發展極大地促進了全波形反演技術的理論完善和實際應用。

全波形反演包含兩個過程即，正演過程與反演過程。正演是反演的重要組成部分，正演方法的選擇決定著反演的精度和效率，因此，能否正確的選擇正演方法決定了全波形反演的可行性，尤其是3D多炮點勘探情況下。三維情況下僅僅使用時間域算法進行全波形的正反演，其反演過程需要巨大的存儲空間，耗費較長的CPU時間；直接求解法的正演過程對內存存儲要求極高，炮集的LU分解處理需要的內存通常達到幾百GB甚至TB數量級，并且難以實現并行，耗費時間長。為避免這一問題，在處理3D情況下的全波形反演將采取時間域正演方法，在正演得到時間域地震記錄后靈活運用特定頻率成分提取的方式，將時間域波場轉換到頻率域來實現頻率域的全波形反演，這樣我們不僅得到了頻率域的波場值，還可以在時間域對數據進行所需要的預處理，并且一次正演可以得到多個所需頻率的波場值，反演也可以在時間域或頻率域實現。

全波形反演對計算資源的要求是制約其發展的瓶頸之一。計算和存儲量巨大這是目前需要解決的首要問題。地震勘探多年來一直是交叉領域，涉及到數學、物理學以及地球物理學等多學科。近年來隨著計算機技術的發展，計算機的性能不斷提高，資料處理能力也在逐年提高，3D全波形反演實際資料的應用開始陸續出現。目前，全波形反演的困難主要來源于巨大的計算量、龐大的存儲空間需求以及問題高度不適定性所帶來的計算不穩定性，這些問題對算力的需求已經超過了通用CPU的摩爾定律的發展速度，而異構計算的性能增長速度能夠滿足這些新興的方向和趨勢，異構計算能夠很好的滿足人工智能、高性能數據分析、金融分析等計算密集型領域的計算需求，而這一技術會逐漸取代原來通用計算不擅長的部分。

異構計算會在今后的高新能計算中占據越來越多的份額；目前異構計算領域是GPU處理器占據主流地位，未來隨著FPGA(Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列的生態環境的建立和完善，加之FPGA較GPU有更高計算性能、更高的硬件加速性能、更低的設備互聯延遲等優勢，FPGA將在高性能計算中發揮不可取代的作用。

發明內容