一种基于FPGA全波形反演的频率成分波场信息提取方法与流程

一种基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法
技术领域
1.本发明涉及到油气勘探技术领域，尤其涉及到一种基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法。


背景技术：

2.提高反演算法的效率和精度，更加快速准确的获取地下介质特征，是油气勘探和复杂的工程地球物理探测永恒的目标。地震勘探是利用地震观测资料定量估计出地下介质的相关属性，为找寻油气资源提供依据，反演是油气勘探的主要手段之一。
3.传统的反演方法，通常只使用地震响应中的部分信息，这就导致地震响应中的有些有用信息被忽略。随着油气勘探复杂程度的加深，叠前全波形反演(full waveform inversion,fwi)方法作为一种能够客观反应地震波传播规律，适用于任意地质模型为研究地球深部构造、中深部找矿找油、浅地表地质环境调查以及工程建设等工作提供技术支持的方法越来越受到人们的重视。全波形反演是基于逆时偏移技术发展起来的一种新的地震成像技术，不同的是逆势偏移技术反传的是地震记录，并在模型空间得到一次成像，模型并没用得到更新；而全波形反演技术反传的是地震记录的残差，模型不断的更新直至野外观测记录和模拟记录的匹配达到技术要求，最终的反演模型就是我们所能求取的最佳模型，但需要提供满足一定精度的初始模型。拥有相似的理论框架的逆时偏移技术的发展极大地促进了全波形反演技术的理论完善和实际应用。
4.全波形反演包含两个过程即，正演过程与反演过程。正演是反演的重要组成部分，正演方法的选择决定着反演的精度和效率，因此，能否正确的选择正演方法决定了全波形反演的可行性，尤其是3d多炮点勘探情况下。三维情况下仅仅使用时间域算法进行全波形的正反演，其反演过程需要巨大的存储空间，耗费较长的cpu时间；直接求解法的正演过程对内存存储要求极高，炮集的lu分解处理需要的内存通常达到几百gb甚至tb数量级，并且难以实现并行，耗费时间长。为避免这一问题，在处理3d情况下的全波形反演将采取时间域正演方法，在正演得到时间域地震记录后灵活运用特定频率成分提取的方式，将时间域波场转换到频率域来实现频率域的全波形反演，这样我们不仅得到了频率域的波场值，还可以在时间域对数据进行所需要的预处理，并且一次正演可以得到多个所需频率的波场值，反演也可以在时间域或频率域实现。
5.全波形反演对计算资源的要求是制约其发展的瓶颈之一。计算和存储量巨大这是目前需要解决的首要问题。地震勘探多年来一直是交叉领域，涉及到数学、物理学以及地球物理学等多学科。近年来随着计算机技术的发展，计算机的性能不断提高，资料处理能力也在逐年提高，3d全波形反演实际资料的应用开始陆续出现。目前，全波形反演的困难主要来源于巨大的计算量、庞大的存储空间需求以及问题高度不适定性所带来的计算不稳定性，这些问题对算力的需求已经超过了通用cpu的摩尔定律的发展速度，而异构计算的性能增长速度能够满足这些新兴的方向和趋势，异构计算能够很好的满足人工智能、高性能数据分析、金融分析等计算密集型领域的计算需求，而这一技术会逐渐取代原来通用计算不擅
长的部分。
6.异构计算会在今后的高新能计算中占据越来越多的份额；目前异构计算领域是gpu处理器占据主流地位，未来随着fpga(field programmable gate array)即现场可编程门阵列的生态环境的建立和完善，加之fpga较gpu有更高计算性能、更高的硬件加速性能、更低的设备互联延迟等优势，fpga将在高性能计算中发挥不可取代的作用。


技术实现要素：

7.鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法；本发明利用fpga的并行计算及硬件加速性能优势，结合全波形反演的特点，在正演得到时间域地震记录后灵活运用特定频率成分因子提取特定频率成分的波场值，将时间域波场转换到频率域为实现频率域的全波形反演提供需要的频率域波场值。
8.本发明具体技术方案为：
9.一种基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法，其特征在于，所述方法包括：
10.步骤s1：cpu加载数据库文档，所述数据库文档中包含有速度场数据、观测系统数据、若干频率成分的谐波震源数据，加载完毕后将该些数据传入至fpga中；
11.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；
12.步骤s3：将fpga计算后的波场值通过pcie接口与cpu进行数据交互，在cpu中根据观测系统数据的位置关系记录该时刻的波场值；
13.步骤s4：按照预设的频率因子提取该时刻频率成分的波场值；
14.步骤s5：更新迭代时间，将时间向后推演，跳转至步骤s2，直到整个频率成分的波场值完成。
15.上述的基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法，其特征在于，步骤s4中，按照预设的频率因子提取该时刻频率成分的波场值，将该波场值通过pcie接口与cpu进行交互，并在cpu平台上将数据存盘。
16.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
17.本发明基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法，通过利用异构架构的方式可以灵活的在cpu平台上，在时间域对数据进行所需要的预处理，并且一次正演可以得到多个所需频率成分的波场值，对后续的反演在时间域或频率域实现提供了方便。本发明采用流水式数据处理方式，将数据准备和传输时间完全淹没在计算中，大大缩短了算法的计算时间。
附图说明
18.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。
19.图1是基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法流程图。
具体实施方式
20.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。
21.本发明利用频率域反演联合时间域正演的混合算法，取二者的长处用fpga和cpu异构架构平台实现3d的全波形反演所需的频率的波场信息。通过cpu侧的参数设置，利用fpga做相关波场值计算，在计算完波场值后在该时刻利用特定频率因子提取特定频率的波场值，并将对应频率的波场通过pcie将数据交互到cpu平台端存入磁盘，并进行下一时刻波场计算。图1是本发明基于fpga全波形反演的频率成分波场信息提取方法流程图，具体方法步骤包括：
22.步骤s1：cpu加载数据库文档，数据库文档中包含有速度场数据、观测系统数据、若干频率成分的谐波震源数据，加载完毕后将该些数据传入至fpga中；
23.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(即图1中的波场外推计算波场值步骤)；
24.步骤s3：将fpga计算后的波场值通过pcie接口与cpu进行数据交互，在cpu中根据观测系统数据的位置关系记录该时刻的波场值；
25.步骤s4：按照预设的频率因子提取该时刻频率成分的波场值；
26.步骤s5：更新迭代时间，将时间向后推演，跳转至步骤s2，直到整个频率成分的波场值完成。
27.本发明在整个计算过程中，fpga封装为一波场延拓与特定频率波场信息提取的计算算子库。cpu作为整个计算的调度工具和数据准备工具，完成整个流程数据的准备和存盘工作。
28.在本发明的实施例中，步骤s4按照预设的频率因子提取该时刻频率成分的波场值，将该波场值通过pcie接口与cpu进行交互，并在cpu平台上将数据存盘。
29.本发明通过利用fpga的并行计算优势，在cpu侧预留时间域数据预处理模块，利用fpga硬件逻辑电路实现算法的优势，采用流水式数据处理方式，将数据准备和传输时间完全淹没在计算中，大大缩短了算法的计算时间，使大尺度的三维全波形反演在频率反演的方法可以利用在时间域正演计算的波场值信息，大大利用fpga针对地震正演封装的算子库，加大fpga开发的bit的利用率。使得全波形反演所需的算力可以利用fpga异构的方式满足，从而大大减少算力不足的问题。同时利用异构架构的方式可以灵活的在cpu平台上，在时间域对数据进行所需要的预处理，并且一次正演可以得到多个所需频率成分的波场值。对后续的反演在时间域或频率域实现提供了方便。并且本发明专利提供的方案经过测试，由于将频率因子通过参数形式传入fpga中，大大增强了整个系统的灵活性和可编程性。
30.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。
31.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。