[發明專利]一種基于FPGA的地震正演計算方法

在審

• 申請號: 202111127628.4
• 申請日: 2021-09-26
• 公開（公告）號: CN113791446A
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 田志明;高雨豪
• 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的地震正演計算方法，本發明將FPGA封裝成為一個通用的波場延拓計算的算子庫，通過在CPU側進行數據計算的過程進行設置，將整個過程按照不同的需求進行波場延拓。在進行逆時偏移的過程中，將兩個過程用同一個FPGA計算的bit計算，將計算的波場值記錄下來，在另一過程需要計算反向過程時，將參數設置為反向延拓的狀態計算出反向的波場值，并將波場值記錄。本發明利用同一個bit進行地震波場正演正演計算，在整個測試過程中也充分發揮了FPGA的并行計算的優勢，同時大大降低了FPGA開發的工作量。

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的地震正演計算方法。

背景技術

隨著油氣勘探程度的深入，石油勘探的難度也隨之增加，油氣勘探的目標已從大型構造油氣藏向中小型復雜隱蔽型油藏轉變，因此提高巖性識別和流體預測的精度在實際生產中至關重要，獲得精度高、且能指示巖性和流體的地球物理參數意義重大。

目前，面對復雜的勘探目標，如何提高反演精度、獲取更精確的的儲層參數尤為重要。全波形反演技術(Full waveform inversion,FWI)利用疊前地震波場的運動學和動力學信息，定量提取地下介質參數并重建地下速度結構，可為疊前深度偏移、巖性判斷和油氣藏識別提供可靠的速度資料，然而全波形反演方法巨大的正演計算需求和目標泛函的高度非線性阻礙了其在地震勘探中的廣泛應用，尤其是基于多分量波動方程的全波形反演，其計算量、內存空間和計算時間是難以承受的。

超大的計算量和存儲量也是制約全波形反演進一步發展的主要因素，為緩解計算和存儲壓力，不同學者進行過大量研究，由于在震源波場正向傳播和波場殘差反向傳播都需要求解波動方程，全波形反演的計算時間與所采用的正演模擬算法密切相關，因此研究快速高效的正演算法對提高全波形反演的計算效率意義重大。

和逆時偏移一樣，時間域全波形反演也會遇到存儲量巨大的問題，該方法沿著時間正向延拓震源波場，計算參數梯度時，則需要沿著時間逆向訪問該數據。因此，所有網格所有時刻的波場需要存儲下來，對于較大的地質模型這顯然是無法接受的。一種簡單的解決方案就是將波場輸出到磁盤上，需要時再從磁盤上讀入，但磁盤輸入輸出本身也是相當費時的，尤其是對于高性能計算機而言，磁盤讀寫要比浮點型運算昂貴很多。

近年來，隨著計算機硬件水平的提高，地球物理技術也不在不斷向前發展，全波形反演方法也得到快速發展，該方法已經逐漸引起了越來越多地球物理工作者的重視，成為地球物理勘探領域的研究熱點之一。全波形反演地震成像是一種基于數據擬合目標函數優化的地震成像技術，其能夠充分利用波場的全部信息(振幅，相位等)，因此具有重構高分辨率地震圖像的潛力。另外，波動方程正演模擬是全波形反演的基本單位，正演模擬算法對波形反演的精度和效率有很大影響，研究模擬精度高、快速高效的波動方程正演算法也是至關重要的。

長期以來，計算性能的提高主要得益于微處理器工作頻率的提高，摩爾定律主宰著信息技術發展的步伐。然而，主頻的提高帶來的系統發熱問題日趨突出，系統功耗不斷上升，因此，近年來CPU技術的發展采取了新的思路，主頻提高的步伐放慢甚至停止，而提高處理器并行處理能力逐步成為主要技術思路。為了保證微處理器芯片性能的持續提高，更重要的是為了降低芯片功耗和復雜性，目前主流的商用CPU設計已全面采用多線程多核體系結構，雙核和四核已成為CPU的主流產品，六核和八核CPU產品也已經大規模批量生產，預計處理器核的持續增加(稱為眾核處理器)將成為未來一段時間CPU技術發展的主要特征。如何快速有效地開發多核并行計算程序，對于充分發揮多核處理器系統的性能至關重要。在傳統CPU由單核向多核(眾核)發展的技術路線以外，當前活躍著幾條新的技術路線，它們可能代表著未來高性能計算技術發展的重要方向。一個重要方向是基于FPGA(現場可編程門陣列)的可重構計算技術，無論是國際上還是國內，代表當前最高計算水平的千萬億次計算機系統都是采用了這種異構并行計算系統架構。如何構建異構并行計算系統上的多層次并行計算軟件開發框架和編程工具，促進大規模并行計算應用軟件的開發與移植，是實現異構并行計算系統大規模普及應用的關鍵。