基于CPU/GPU异构平台的全波形反演及其实用化分析

全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)在理论上是当前精度最高的速度估计方法。通过分析FWI的计算特点,使用图形处理器(Graphic Processing Unit,简称GPU)进行算法加速,形成了基于CPU/GPU异构平台的时空域声波方程全波形反演算法实现流程。理论模型测试结果表明,该算法不仅对速度模型具有高精度刻画能力,而且计算效率比基于CPU集群的FWI算法大幅提升。对胜利探区某陆上区块实际地震资料进行全波形速度反演试处理,取得了初步的应用效果。在此基础上,讨论了FWI对实际地震资料质量的要求,就FWI在陆上地震资料的生产性应用提出了相应的策略。     

基于GPU/CPU和震源随机编码技术的混合域全波形反演

传统的全波形反演利用普通炮集进行反演,反演计算量过大;且利用传统的相位编码技术进行全波形反演,会产生炮间串扰问题,因此,提出了基于GPU/CPU和震源随机编码技术的混合域全波形反演。该方法将参与反演的多个炮集随机组合并分成炮集数相同的组,各组炮集叠加形成多个组合炮集,然后将组合炮集代替普通炮集进行反演。与传统的相位编码反演方法相比,震源随机编码技术在反演效率和收敛速度方面均有优势,且减少了炮间串扰噪声;并且在GPU的加速下,计算效率会再次提升。Marmousi模型数据测试结果表明:组合炮集方法得到了与普通炮集方法相同的反演效果,但计算效率却比普通炮集方法明显提高,且相较于传统的相位编码技术,组合炮集方法有效抑制了串扰噪声。     

CPU+GPU异构系统在油田地震勘探领域的应用

油田地震勘探数据处理偏移成为准确成像的重要手段,而基于全三维波动方程的逆时偏移成为偏移的主流技术,相应带来对高性能计算的巨大需求,青海油田勘探开发研究院引进基于CPU+GPU异构系统运行GeoEast-Lightning逆时叠前深度偏移软件,以满足油气勘探复杂程度对巨大的计算量和地震成像技术的需求。     

基于GPU/CPU叠前逆时偏移研究及应用

本文基于GPU/CPU协同系统,将计算量最大的波场逆时外推通过GPU实现,并利用随机速度边界的思路提高波场外推算法的并行性,解决了大规模存储的I/O问题。通过优化拉普拉斯算子压制由互相关成像条件引入的低频噪声。数值试验表明,GPU/CPU协同系统的计算效率非常高,在实际应用中取得良好的成像效果和时效比。理论模型试算和实际盐丘数据的处理验证了算法的正确性。     

简化的混合域全波形反演方法及GPU加速

全波形反演(FWI)方法综合利用叠前地震波场的动力学和运动学信息,能够高精度地重建地下介质模型参数场,但巨大的计算量一直是制约其发展的一个重要因素。GPU组成的高性能计算集群为提高全波形反演计算效率提供了重要的硬件基础。基于GPU平台,采用简化的混合域全波形反演算法实现了更快速的三维全波形反演计算。首先简单介绍了GPU加速技术应用于简化的混合域全波形反演时的一些优化技巧,包括线程调度、GPU之间数据传输以及共享内存的使用等,然后通过多GPU全波形反演测试了简化的混合域全波形反演的效果,证明了GPU加速技术能够有效地提高全波形反演的计算效率,相比CPU具有十几倍的加速比。     

基于PC机群的大地电磁Occam反演并行计算研究

Occam反演以其稳定收敛和不依赖于初始模型的特性被广泛应用于大地电磁数据的处理，但偏导数矩阵的计算和拉格朗日乘子的求取导致大量的模型正演，使得反演速度较低。为此，研究了用基于PC机群的并行计算来解决这一问题的方法。首先对Occam反演方法进行了阐述；然后，分析了反演方法中各计算耗费的时间，提出对约占计算量90％的偏导数和拉格朗日乘子进行并行计算的思想，即偏导数计算采用频点计算一级的大粒度并行，拉格朗日乘子扫描和一维搜索分别采用弘值计算一级的大粒度并行和频点计算一级的小粒度并行；给出了并行计算的实现方法，即在PC机群上，利用主一从编程模式实现Occam反演的整体并行计算。在计算中，采用任务组合方式，减少了通信量，较好地实现了负载均衡。在4节点PC机群上，对应于拉格朗日乘子的扫描和一维搜索方式，整体加速比分别达到3．36和2．83。     

MT资料反演的定量解释

在地震资料欠佳的情况下,利用MT资料来确定有利构造是地球物理勘探的重要手段,下面展示的利面就是新疆喀什拗陷某MT测线的资料。上图是视电阻率利面图,表示视电阻率沿频率方向等值钱变化剖面图。视电阻率随频率由高到低及沿剖面方向等值线走向变化,反映了断裂分布特征和基底起伏形态以及沿深度方向和水平方向地层的变化特征。中留足BOSTIC反演剖面,近似地将视电阻率和阻抗相位通过一简单的公式交换成“真”电阻车随深度变化的情况。下图是一维连续介质及演剖面,通过迭代反演的方法将视电阻车曲线转换为电阻率随深度的变化,是进行…     

噪声对电阻率层析成像资料的Occam反演的影响

本文讨论了用于井间电阻率资料的一种Occam反演算法,该算法利用了有限元方法的正演解。对于反演算法而言,地球被离散成一系列的参数块,每块包含一个或更多的单元。Occam反演能获得最平滑的     

MT资料的遗传法反演

在简述遗传优化算法的基本原理,分析大地理电测深资料反演的特点和滩点的基础上,提出了将遗传算法引入ＭＴ数据反演的思路,针对ＭＴ资料反 特殊性,对常用的遗传算法进行改进。取消二进制编码和解码过程。     

CPU-GPU异构平台的抛物线Radon变换并行算法

抛物线Radon变换被广泛应用于压制和去除叠前地震数据中的多次波。混合域抛物线Radon变换虽具有良好的多次波压制效果,但面对体量日益庞大的地震道集数据,仍需很长处理周期。为此,首先利用GPU对抛物线Radon变换算法做并行优化,将计算过程中最耗时的傅里叶变换和代数运算用CUDA库等优化技巧进行加速,加速比达13以上;然后基于CPU-GPU异构平台,提出一种CPU-GPU并行方案,充分利用计算机硬件资源,通过CPU多线程与多个GPU协同并行实现抛物线Radon变换并行算法,加速比约达30。     

有效的一维MT直接反演新方法

在大地电磁测深方法中,视电阻率反映在给定频率处穿透深度范围内的平均电阻率,不同频率的电磁波,其穿透深度不同。据此,利用等效电阻率的概念,设计了一个由视电阻率曲线直接计算地层电阻率的算法。该算法首先依据最高频率点的视电阻率确定表层电阻率并估算其厚度;然后由高频的视电阻率确定相应的并联等效层的电阻率和厚度;之后再由第一层的电阻率及厚度和等效层的电阻率及厚度计算第二层的电阻率及厚度;依次类推,从上到下计算出各电性层的参数。该算法不需要初始模型,也不必进行数据拟合。对不同模型的理论数据的反演均表明该方法在划分电性层时很有效,反演结果与实际模型对应较好。     

增加频率点数提高MT的反演效果

在大地电磁测深中,目前基本上使用40个频率点的数据。对比分析了采用80个频率点与采用40个频率点的大地电磁测深结果。通过对趋肤深度分析以及时理论模型响应的计算。得到了80个频率点与40个频率点的大地电磁测深响应曲线。分别时理论曲线进行了反演。结果表明,80个频率点数据反演的精度更高。效果更好,对解释更有利。因此．今后应用大地电磁测深方法时。应提倡使用80个频率点的方案,逐渐淡出40个频率点的方案。     

由MT资料反演真谱参数的基本原理

常规的大地电磁测深反演方法没有考虑岩矿石激电效应。基于岩矿石激电响应的Dias新模型,分别计算了3层模型的中间层在有极化与无极化2种情况下的视电阻率和相位曲线。结果表明,2种情况下的视电阻率和相位曲线在高频段和低频段基本上重叠,而在中频段有明显的差异。进而研究了从大地电磁测深复视电阻率资料反演地层的真谱参数的方法,推导了层状模型反演的基本公式并给出了相应的具体反演算法。该算法能从MT资料中提取激电谱参数,为解释提供更多的依据。     

混合优化波阻抗反演方法研究

地震反演常用的线性算法具有较快的收敛速度，但是易陷入局部最优解。因此需要引进一些非线性优化算法求解全局最优解。近年来相继出现了模拟退火、遗传算法、禁忌搜索算法和混沌搜索算法等，虽然这些算法具有较强的全局优化性能，但是其计算速度慢，远远不能满足实际生产的要求。如何将上述两类算法结合起来实现优势互补成为了反演中的一个重要课题之一。文章提出的混合优化波阻抗反演方法综合了共轭梯度算法和模拟退火算法的优点，在模拟退火反演框架内加入共轭梯度迭代算法，即在模拟退火反演过程中，当目标函数值满足给定的条件时，进行一定次数的共轭梯度迭代反演，最终以模拟退火反演结果来判断其收敛性。实际计算表明，该方法不仅收敛速度快，而且抗干扰能力强，计算得到的波阻抗剖面能较好的反映地层地质特征。     

广义线性纵横波联合反演的GPU加速

文中进行了广义线性反演(GLI)的GPU加速研究,通过理论分析和模型数据检验表明,通过应用L1模稀疏脉冲反褶积,数据质量得到了显著提高。该方法不仅对多波数据适用,对单一纵、横波数据都可以进行反演。反演结果表明:1应用L1模稀疏脉冲反褶积可以在反演前消除子波的效应,从而使GLI在反射系数层面上发挥更好的作用。2将GPU并行计算技术整合到反演过程中,能够极大地提高计算速度和效率,对单个角度域共成像点道集(ADCIG)的加速达数百倍以上;在处理海量的叠前反演数据时,这种优势将更加明显。3在反演中采用并行计算,必须摒弃细粒度的任务设计思路,采用较粗粒度的设计,才能尽量减少延迟,提高计算效率。     

基于CPU+GPU联合计算真地表叠前时间偏移实用化研究

为了提高起伏地表条件下的基尔霍夫叠前时间偏移算法的计算效率,针对CPU+GPU异构计算平台开展了算法移植与优化研究。首先分析了起伏地表条件下提高偏移成像精度的反假频、弯曲射线旅行时计算以及真地表旅行时校正的处理方法,然后在对算法的并行计算特征进行分析的基础上,针对CPU+GPU异构平台的算法移植进行了多级并行联合计算架构的设计,通过炮检距域的多进程数据域并行、地震数据I/O与偏移计算的异步并行、基于CUDA的超大规模线程成像域并行以及联合CPU计算的多线程成像域并行技术对算法进行了移植及优化。利用大规模测试数据集进行了计算效率测试,测试结果验证了多级并行联合计算架构以及分别针对CPU和GPU平台的算法优化技术能够极大地提高偏移处理效率。     

用逐步缩小搜索范围的遗传算法反演一维MT曲线

本文用逐步缩小搜索范围的遗传算法反演一维大地电磁数据，理论模型和实测数据反演表明，结果令人满意，本文还讨论了连续变化电性层的反演问题。     

基于遗传算法的波阻抗混合反演

文章提出采用二进制字符串编码、遗传操作为最优保存策略选择、多点交叉和非均匀变异的遗传算法，将线性反演与遗传优化算法组合用于地震资料波阻抗反演。即在获得了线性反演的输出序列后，由它作为选择遗传算法初始种群的产生依据，大大缩小了遗传算法的搜索范围。再由遗传算法的寻优操作，得到满足遗传算法反演目标函数的波阻抗序列，用Ackley实验函数，证明了文章中遗传算法的有效性和收敛性，实现了线性反演算法和遗传算法的波阻抗混合反演。通过理论模型与井旁道的试算处理，表明了基于遗传算法波阻抗混合反演的可行性。     

交叉偶极子声波测井各向异性反演的混合方法研究

交叉偶极子声波测井提供了一种评价地层各向异性手段,通过各向异性可以进一步来评价压裂效果、探测裂缝以及检测地应力,因此快速精确地从交叉偶极子测井数据中反演出地层各向异性有重要意义。系统研究了两种不同的模拟退火方法,通过一个测试函数对比研究了两种方法的特性,并结合声波测井数据局部连续的特点,提出了混合两种模拟退火方法进行交叉偶极子各向异性反演。对实际测井数据进行处理的结果表明,与单独使用两种方法之一相比,该方法既提高了各向异性反演的处理速度,同时各向异性的快波方位有较好的稳定性,能够满足工程上的要求。     

带地形的MT多参量二维快速模拟退火约束反演

在井资料、地震资料等先验知识的约束下，采用非常快速的模拟退火算法对起伏地形的连续电磁阵列剖面(CEMP)资料进行非线性约束反演。理论模型试算表明了方法的正确性及有效性。CEMP268测线实际资料的反演补充了钻井、地震资料的不足，提供了该区重要的生、储层——中生界的厚度及分布，为地质人员提供了重要的基础性数据。