基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法
技术领域
1.本发明涉及到计算机技术领域，尤其涉及到基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法。
背景技术：2.深水勘探速度建模和成像精度受到崎岖海底，海水速度，深层复杂构造，复杂绕射多次波等问题影响。全波形反演作为利用波形匹配计算模型扰动的反演方法，能够获取高分辨率的模型参数，提高偏移成像精度并降低勘探风险。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 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。
3.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。
4.而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。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法，用于解决上述技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法，包括：
8.s1、通过cpu加载速度场，观测系统数据，并将所述系统数据传入fpga计算板卡进行计算；
9.s2、所述fpga计算板卡中的主芯片按照确认的波场延拓过程，进行波场延拓计算；
10.s3、所述主芯片上计算的波场值与所述cpu进行数据交互；
11.s4、按照预先设置的频率因子将所述波场值分发给若干个计算芯片，然后在若干所述计算芯片上同时对不同频率成分的波场信息进行提取，并将提取的数据信息传递给所述主芯片；
12.s5、在完成s1至s4的过程的同时所述主芯片更新迭代时间，将时间向后推演，直到整个波场延拓完成。
13.作为优选，在s1中，所述系统数据包括不同频率成分的波场因子数据。
14.作为优选，在s2中，采用有限差分法进行波场延拓计算。
15.作为优选，在s3中，所述主芯片与所述cpu之间通过pcie接口进行数据交互。
16.作为优选，在s3中，当进行数据交互后，需要在cpu平台上根据观测系统位置关系记录时刻的波场快照值，并将波场快照值写入磁盘。
17.作为优选，在s4中，当提取的数据信息传递给所述主芯片后，所述主芯片将提取的数据信息传递至所述cpu，并在cpu平台上将所述数据信息存盘。
18.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
19.(1)本发明中，通过利用fpga的并行计算，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，将波场数据中特定成分提取步骤放在其他几颗计算芯片上异步完成，大大提高了数据的复用率，同时大大减少了数据的传输，通过这种架构大大提高了整个计算系统的并发能力，提高计算系统的吞吐能力，大大缩短了算法的计算时间；
20.(2)本发明中的计算架构方式，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；
21.(3)本发明中，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；
22.(4)本发明中，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；
23.(5)本发明中，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；且通过测试，其加速性能也是普通加速方案的200倍以上，整个设计方案为地震勘探中的难题解决提供必要的算力支持，也为整个地震勘探速度建模提供了可行的算力支持。
附图说明
24.图1是本发明中的主芯片与计算芯片之间的架构图；
25.图2是本发明中的全波形反演特定频率成分波场信息提取模块流程图；
26.图3是本发明中基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法的流程图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.图1是本发明中的主芯片与计算芯片之间的架构图；图2是本发明中的全波形反演特定频率成分波场信息提取模块流程图；图3是本发明中基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法的流程图，请参见图1至图3所示，示出了一种较佳的实施例，示出的一种基于fpga多芯片板卡全波形反演特定频率波场提取的方法，包括：
31.s1、通过cpu加载速度场，观测系统数据，并将系统数据传入fpga计算板卡进行计算。其中，系统数据包括不同频率成分的波场因子数据。
32.s2、fpga计算板卡中的主芯片按照确认的波场延拓过程，然后采用有限差分法进行波场延拓计算。
33.s3、主芯片上计算的波场值与cpu之间通过pcie接口进行数据交互。
34.s4、按照预先设置的频率因子将波场值分发给若干个计算芯片，然后在若干计算芯片上同时对不同频率成分的波场信息进行提取，并将提取的数据信息传递给主芯片。本实施例中，如图1和图2所示，计算芯片设有至少七个，为计算芯片1至计算芯片7，主芯片会按照预先设置的频率因子将波场值分发给其余的计算芯片，完成不同频率成分的波场提取，然后再将提取到的信息发送至主芯片。s5、在完成s1至s4的过程的同时主芯片更新迭代时间，将时间向后推演，直到整个波场延拓完成。本实施例中，基于cpu与fpga异构架构的方式，实现3d全波形反演时间域实现的方式。通过正演得到时间域地震波场后灵活运用特定频率成分因子提取所需的特定频率成分的波场信息，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。
35.进一步，作为一种较佳的实施方式，在s3中，当进行数据交互后，需要在cpu平台上
根据观测系统位置关系记录时刻的波场快照值，并将波场快照值写入磁盘。本实施例中，如图2所示，当时刻t小于或等于预设的时刻t时，则计算结束。
36.进一步，作为一种较佳的实施方式，在s4中，当提取的数据信息传递给主芯片后，主芯片将提取的数据信息传递至cpu，并在cpu平台上将数据信息存盘。
37.本发明中，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。基于cpu与fpga多芯片计算板卡异构架构的方式，实现3d全波形反演时间域实现的方式。在正演得到时间域地震记录后通过多芯片异步同时处理，在同一时间运用特定频率成分因子，对多种频率成分的波场值灵活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。利用多芯片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，同时减少数据反复被传输，大大缩减计算过程中数据的传输时间。对后续的反演在时间域或频率域实现提供了方便。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，用多芯片的方式大大提高频率成分提取的并发能力，大大缩短了算法的计算时间，使大尺度的三维全波形反演算法得以实现工业化。该发明方法将正演算法封装为硬件算子库，可以单独完成地震波场正演，也能为实现全波形反演特定频率成分波场提取提供了必要的算力支撑。
38.本发明中，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。基于cpu与fpga多芯片计算板卡，异构实现3d全波形反演时间域正演的方法。在正演得到时间域地震记录后，运用特定频率成分提取的方式，在不同的计算芯片上对不同频率成分的波场进行提取，可以在同一时刻完成多种频率成分的波场信息提取，同时可以大大减少数据传输，大大缩短了计算时间，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，所需要的频率域波场值。
39.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
