一种基于fpga的地震正演计算方法
阅读说明：本技术 一种基于fpga的地震正演计算方法 (Earthquake forward modeling calculation method based on FPGA ) 是由 田志明 高雨豪 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及到油气勘探技术领域,尤其涉及到一种基于FPGA的地震正演计算方法,本发明将FPGA封装成为一个通用的波场延拓计算的算子库,通过在CPU侧进行数据计算的过程进行设置,将整个过程按照不同的需求进行波场延拓。在进行逆时偏移的过程中,将两个过程用同一个FPGA计算的bit计算,将计算的波场值记录下来,在另一过程需要计算反向过程时,将参数设置为反向延拓的状态计算出反向的波场值,并将波场值记录。本发明利用同一个bit进行地震波场正演正演计算,在整个测试过程中也充分发挥了FPGA的并行计算的优势,同时大大降低了FPGA开发的工作量。(The invention relates to the technical field of oil-gas exploration, in particular to an FPGA-based seismic forward modeling calculation method. In the process of reverse time migration, the two processes are calculated by using bits calculated by the same FPGA, the calculated wave field value is recorded, and when the other process needs to calculate the reverse process, the parameters are set to be in a reverse continuation state to calculate the reverse wave field value, and the wave field value is recorded. The invention utilizes the same bit to carry out forward calculation of the seismic wave field, fully exerts the advantages of parallel calculation of the FPGA in the whole test process and greatly reduces the workload of FPGA development.)
技术领域
本发明涉及到油气勘探技术领域，尤其涉及到一种基于FPGA的地震正演计算方法。
背景技术
随着油气勘探程度的深入，石油勘探的难度也随之增加，油气勘探的目标已从大型构造油气藏向中小型复杂隐蔽型油藏转变，因此提高岩性识别和流体预测的精度在实际生产中至关重要，获得精度高、且能指示岩性和流体的地球物理参数意义重大。
目前，面对复杂的勘探目标，如何提高反演精度、获取更精确的的储层参数尤为重要。全波形反演技术(Full waveform inversion,FWI)利用叠前地震波场的运动学和动力学信息，定量提取地下介质参数并重建地下速度结构，可为叠前深度偏移、岩性判断和油气藏识别提供可靠的速度资料，然而全波形反演方法巨大的正演计算需求和目标泛函的高度非线性阻碍了其在地震勘探中的广泛应用，尤其是基于多分量波动方程的全波形反演，其计算量、内存空间和计算时间是难以承受的。
超大的计算量和存储量也是制约全波形反演进一步发展的主要因素，为缓解计算和存储压力，不同学者进行过大量研究，由于在震源波场正向传播和波场残差反向传播都需要求解波动方程，全波形反演的计算时间与所采用的正演模拟算法密切相关，因此研究快速高效的正演算法对提高全波形反演的计算效率意义重大。
和逆时偏移一样，时间域全波形反演也会遇到存储量巨大的问题，该方法沿着时间正向延拓震源波场，计算参数梯度时，则需要沿着时间逆向访问该数据。因此，所有网格所有时刻的波场需要存储下来，对于较大的地质模型这显然是无法接受的。一种简单的解决方案就是将波场输出到磁盘上，需要时再从磁盘上读入，但磁盘输入输出本身也是相当费时的，尤其是对于高性能计算机而言，磁盘读写要比浮点型运算昂贵很多。
近年来，随着计算机硬件水平的提高，地球物理技术也不在不断向前发展，全波形反演方法也得到快速发展，该方法已经逐渐引起了越来越多地球物理工作者的重视，成为地球物理勘探领域的研究热点之一。全波形反演地震成像是一种基于数据拟合目标函数优化的地震成像技术，其能够充分利用波场的全部信息(振幅，相位等)，因此具有重构高分辨率地震图像的潜力。另外，波动方程正演模拟是全波形反演的基本单位，正演模拟算法对波形反演的精度和效率有很大影响，研究模拟精度高、快速高效的波动方程正演算法也是至关重要的。
长期以来，计算性能的提高主要得益于微处理器工作频率的提高，摩尔定律主宰着信息技术发展的步伐。然而，主频的提高带来的系统发热问题日趋突出，系统功耗不断上升，因此，近年来CPU技术的发展采取了新的思路，主频提高的步伐放慢甚至停止，而提高处理器并行处理能力逐步成为主要技术思路。为了保证微处理器芯片性能的持续提高，更重要的是为了降低芯片功耗和复杂性，目前主流的商用CPU设计已全面采用多线程多核体系结构，双核和四核已成为CPU的主流产品，六核和八核CPU产品也已经大规模批量生产，预计处理器核的持续增加(称为众核处理器)将成为未来一段时间CPU技术发展的主要特征。如何快速有效地开发多核并行计算程序，对于充分发挥多核处理器系统的性能至关重要。在传统CPU由单核向多核(众核)发展的技术路线以外，当前活跃着几条新的技术路线，它们可能代表着未来高性能计算技术发展的重要方向。一个重要方向是基于FPGA(现场可编程门阵列)的可重构计算技术，无论是国际上还是国内，代表当前最高计算水平的千万亿次计算机系统都是采用了这种异构并行计算系统架构。如何构建异构并行计算系统上的多层次并行计算软件开发框架和编程工具，促进大规模并行计算应用软件的开发与移植，是实现异构并行计算系统大规模普及应用的关键。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于FPGA的地震正演计算方法；该方法通过利用FPGA的并行计算优势，大大的增加了FPGA在地震勘探中的运用和普及，同时也为解决地震勘探的难题提供可行的解决方案。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种基于FPGA的地震正演计算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：CPU加载数据文档，加载完毕后将其传入至FPGA中；
步骤S2：于所述FPGA中按照波场延拓过程，采用有限差分法进行波场延拓计算；
步骤S3：根据预设的快照记录间隔，判断波场值是否为记录时
刻，若需要记录将FPGA计算的波场值由PCIE接口传输到CPU，在CPU侧将波场值在磁盘中生成并记录波场快照；若不是记录时刻则继续下一步骤；
步骤S4：确定波场传播为正向还是反向，并更新迭代时间，若为正向波场拓展则将时间向后推演，若为反向波场拓展过程，将时间向后加载；
步骤S5：重复步骤S2～S4，直到整个波场延拓完成。
上述的基于FPGA的地震正演计算方法，其特征在于，所述数据文档中包含有速度场数据、观测系统数据、波场数据。
上述的基于FPGA的地震正演计算方法，其特征在于，步骤S4中，若为正向波场拓展则根据观测系统数据记录该时刻对应检波点的波场值作为波场记录，并将时间向后推演。
上述的基于FPGA的地震正演计算方法，其特征在于，步骤S4中，波场传播为反向波场拓展，根据观测系统数据加载该时刻对应检波点的波场值到波场中，并将时间向后加载。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明基于FPGA的地震正演计算方法，根据逆时偏移成像的计算过程和全波形反演的特点将公共的地震正演封装为FPGA计算的算子库。本发明通过利用FPGA的并行计算优势，分析地震勘探计算过程中的大计算量的需求，将地震波场正演进行封装，利用在不同的计算过程中根据不同的观测系统进行波场计算。本发明利用同一个bit进行地震波场正演正演计算，在整个测试过程中也充分发挥了FPGA的并行计算的优势，同时大大降低了FPGA开发的工作量。通过本发明专利大大的增加了FPGA在地震勘探中的运用和普及，同时也为解决地震勘探的难题提供可行的解决方案。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是基于FPGA的地震正演计算方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明将通用的正演过程封装为通用的模块，通过CPU侧的参数设置，将逆时偏移的波场延拓全波形反演的正演过程抽取为单独的模块，根据不同的计算过程采用有限差分的计算方程进行波场延拓。利用FPGA进行计算做正演过程，根据观测系统的炮检关系在炮点位置加载震源，在检波点记录地震的波场记录。做反向延拓的过程时，根据检波点的位置将记录数据做为震源按照指定的时间点加载到波场中；在整个过程中，根据不同的时刻记录下波场快照。具体实现过程见图1正演模拟流程图：
步骤S1：CPU加载数据文档，加载完毕后将其传入至FPGA中；
步骤S2：于FPGA中按照波场延拓过程，采用有限差分法进行波场延拓计算；
步骤S3：根据预设的快照记录间隔(Nsnap时间记录步长)，判断波场值是否为记录时刻，若需要记录将FPGA计算的波场值由PCIE接口传输到CPU，在CPU侧将波场值在磁盘中生成并记录波场快照；若不是记录时刻则继续下一步骤；
步骤S4：确定波场传播为正向还是反向，并更新迭代时间，若为正向波场拓展则将时间向后推演，若为反向波场拓展过程，将时间向后加载；
步骤S5：重复步骤S2～S4，直到整个波场延拓完成。
在本发明的实施例中，数据文档中包含有速度场数据、观测系统数据、波场数据。步骤S4中，若为正向波场拓展则根据观测系统数据记录该时刻对应检波点的波场值作为波场记录，并将时间向后推演。波场传播为反向波场拓展，根据观测系统数据加载该时刻对应检波点的波场值到波场中，并将时间向后加载。
其中在整个计算过程中，将FPGA封装成为一个通用的波场延拓计算的算子库，通过在CPU侧进行数据计算的过程进行设置，将整个过程按照不同的需求进行波场延拓。在进行逆时偏移的过程中，将两个过程用同一个FPGA计算的bit计算，将计算的波场值记录下来，在另一过程需要计算反向过程时，将参数设置为反向延拓的状态计算出反向的波场值，并将波场值记录。最后根据成像条件完成后续的成像计算，在计算全波性反演的过程中，可以利用同样的FPGA封装的bit进行计算。同时可以根据不同的计算需求，进行不同的地震正演过程计算。
本发明通过利用FPGA的并行计算优势，分析地震勘探计算过程中的大计算量的需求，将地震波场正演进行封装，利用在不同的计算过程中根据不同的观测系统进行波场计算。本发明利用同一个bit进行地震波场正演正演计算，在整个测试过程中也充分发挥了FPGA的并行计算的优势，同时大大降低了FPGA开发的工作量。通过本发明专利大大的增加了FPGA在地震勘探中的运用和普及，同时也为解决地震勘探的难题提供可行的解决方案。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
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