[发明专利]地震声学波动方程矢量并行计算方法

说明书

本发明属于地球探测与信息技术领域，尤其涉及一种地震声学波动方程矢量并行计算方法，包括：(一)地震模拟；用计算机和数值方法模拟地震波场在地下介质中的传播过程，包括以下分步骤：(二)计算并行加速；对地震模拟项目做并行化需求分析，然后针对串行代码中用时最多的，且可以用矢量运算代替的部分用AVX指令集并行代码代替。本发明提供的地震声学波动方程矢量并行计算方法，不仅可以模拟出高密度采集情形的地震响应特征和变化规律，而且能大幅节省计算指令，最终实现约3～7倍的二次加速比的能力。

技术领域

本发明属于地球探测与信息技术领域，尤其涉及一种地震声学波动方程矢量并行计算方法。

背景技术

波动方程正演模拟是地球物理研究的基础工作，它服务于地震资料采集、处理、解释的各个阶段，其重要性不言而喻。但在通常情况下，大规模地震正演模拟需要消耗大量的计算资源，如较大的计算时间花费和海量的内存消耗。

高性能计算是推动地震勘探技术进步的重要引擎。近年来，并行计算技术的发展使得大规模地震正演模拟的快速、高精度实现具有了现实可能性。一方面，适用于分布式存储系统的消息传递MPI并行以及适用于共享式存储系统的OpenMP并行发展迅速，已被引入地震波场模拟以实现加速。另一方面，基于CPU模板缓冲区优化技术的SIMD指令集不断发展并逐步趋向成熟，通过将数据矢量化的方式提高CPU计算带宽，从而实现在一个CPU指令周期内对多个数据的同时操作，即实现矢量运算，因此能节约计算指令并有效减轻一级指令缓存压力。时间域地震正演所具有的两个特征，即时间维度迭代的顺序性和空间维度的无序性，采用传统的任务级并行不可避免地会产生时间同步、模拟计算任务切割、周围局部波场信息在节点间的传递等额外花费从而影响加速效果。本专利基于多核CPU平台，利用常规OpenMP拆分任务，然后利用AVX指令完成数据并行，从而实现二次加速以提高正演效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于AVX指令集的地震声学波动方程矢量并行计算方法，它能隐式给出完整的地震波场。该方法对传播介质的空间变化没有限制，并且在使用足够细的网格时其计算结果精度很高。此外，这种方法还能处理介质的不同流变性质，以及生成地震波场快照，从而对地震数据的解释来说是一种重要的辅助工具。本发明的另一个优点是在计算上比其他方法更加高效。

本发明提供一种地震声学波动方程矢量并行计算方法，所述地震声学波动方程矢量并行计算方法包括：

(一)地震模拟；

(二)计算并行加速。

其中(一)地震模拟，包括以下分步骤；

(1)提供已知的地质构造信息；

可以根据测井资料用平均法获得地震级的速度和密度场，以及通过地震相干体的生成、油藏单元的定义以及研究区域断层数据的融合进行地质模拟。使用联合测井(声波和密度测井)信息可以进一步提高模拟精度。

(2)通过地震正演预测一组检波器在空间特定位置所能记录到的振动。

在第(2)步中，为了保证模拟计算的正常运行，地震正演参数(网格间距、网格样点数、边界处理、时间步长)的选择及模型试验配置应按以下分步执行：

(a)根据最大震源频率和最小速度，确定网格间距：

其中dx表示网格间距，c_min表示最小速度，f_max表示最大频率。实际网格间距的确定还依赖于模拟方法的选择。对于时间、空间域的地震模拟有限差分方法，在每一波长范围内至少需要5个网格点。

(b)根据地质模型大小确定网格点数。