[发明专利]一种基于FPGA全波形反演的频率成分波场信息提取方法

说明书

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，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，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。

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全波形反演的频率成分波场信息提取方法。

背景技术

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。

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 WaveformInversion,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。

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。

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。

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。

发明内容