[发明专利]一种跨节点并行的三维起伏地表声波正演模拟方法

说明书

本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其是一种跨节点并行的三维起伏地表声波正演模拟方法，包括以下步骤，将模型网格沿着内存中最慢的维度划分成不同的区域，不同的MPI进程处理不同区域内的计算；在每一步的时间推进时，首先由各个节点发起非阻塞点对点通信的请求，以供相邻的MPI进程交换区域边界的波场数据；每个进程在非阻塞通信请求返回后，立即开始进行PML区域的计算，其中涉及的三维空间循环采用OpenMP实现多线程并行计算；本发明的方法采用了非阻塞通信实现数据交换，利用计算掩盖通信延迟，达到比较高的并行效率。

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其是一种跨节点并行的三维起伏地表声波正演模拟方法。

背景技术

地震勘探是首先利用人工的方法引起地壳振动，然后利用地震波从地下地层界面反射回来的旅行时间和波形变化的信息，推断地下的地层构造和岩性的一种方法。经典的地震勘探理论往往假设地表是水平的，基于这种近似假设的地震数据处理和偏移成像技术，在很多符合近似条件的地区得到了非常好的应用。随着地震勘探技术的不断发展，油气地震勘探的重点正转向起伏地表条件和复杂地质条件的区域。这些地区地表起伏大、地下构造复杂，并不符合水平地表的近似假设。因此，研究起伏地表条件下的偏移成像技术具有重要的意义。目前主流的偏移成像技术有Kirchhoff偏移、单程波深度偏移、逆时偏移等。其中逆时偏移由于直接求解双程波方程，利用了全部的波场信息，是最为精确的成像方法，其核心算法就是地震正演模拟算法。

随着野外地震数据采集技术的发展，地震数据的数据量越来越大，使得油气勘探对高性能计算环境的内存需求和数据处理应用软件的性能需求日益增长，尤其是以逆时偏移和全波形反演为代表的基于波动方程的处理技术的应用，更是对地震正、反演算法的跨节点并行方案设计提出了极大的挑战。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种跨节点并行的三维起伏地表声波正演模拟方法，在节点内部采用基于共享内存的并行结构，以避免启动多个MPI进程造成的额外开销，并且减少节点内不必要的进程间通信开销。在节点间，本发明的方法采用了非阻塞通信实现数据交换，利用计算掩盖通信延迟，达到比较高的并行效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种跨节点并行的三维起伏地表声波正演模拟方法，包括以下步骤：

(1)将模型网格沿着内存中最慢的维度划分成不同的区域，不同的MPI进程处理不同区域内的计算。

(2)在每一步的时间推进时，首先由各个节点发起非阻塞点对点通信的请求，以供相邻的MPI进程交换区域边界的波场数据。

(3)每个进程在非阻塞通信请求返回后，立即开始进行PML区域的计算，其中涉及的三维空间循环采用OpenMP实现多线程并行计算，该步骤的具体实现为：

1.首先利用高阶中心差分格式计算：

例如4阶的中心差分格式为：

2.更新θ_xu

3.更新η_xu

4.更新ψ_xu

5.计算偏导数

此时，数据通信和吸收边界的计算同时进行，这样每个进程进行密集的计算任务来掩盖通信的延迟，以提高多节点的并行效率。

(4)每个进程等待数据通信完成后，利用高阶中心差分格式计算空间偏导数的近似值