GPU并行三维地震波场生成方法和系统与流程

技术特征：

1.一种GPU并行三维地震波场生成方法，对地震波传播方程进行高阶有限差分，通过数值模拟计算得到高精度的勘探地震波传播数据，在计算过程中，通过GPU并行加速处理生成地面地震记录数据和波场切片，由此获得三维地震波正演模拟结果；包括如下步骤：

1)获取地震子波及观测系统数据，获取地质参数信息；

2)确定地震波传播三维正演模拟模型的初始条件、生成边界条件和算法稳定性条件，对地震波传播方程进行高阶有限差分，通过数值模拟得到高精度的勘探地震波传播数据；

3)设计基于GPU并行的正演模拟算法结构，通过分维度数据并行加速处理方法，实现高精度结果的高效输出；

4)输出波场切片结果和地面地震记录数据，模拟生成勘探地震波场。

2.如权利要求1所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，步骤3)所述分维度数据并行加速处理方法具体执行如下操作：

31)通过将三维数据数组排列成一维数组的方法，将三维数据体一维化，并从CPU内存导入到GPU的内存中；

32)对地震波传播三维正演模拟模型方程进行一维化，将三维数组对应的方程修改成相应一维数组对应的方程；所述三维正演模拟方程为弹性波应力-速度方程；选择GPU中的处理单元Block和Thread作为两个方向，用于分配地震波场第一维度和第二维度的数据，并储存地震波场第一维度和第二维度的数据的检索坐标用于并行计算；将地震波场数据的第三维度转化成循环状态进行处理；此时，数据为一维数据，检索号保持为三维的检索标准；

33)通过内核函数Kernel分配变量的计算顺序，使得变量按照分配的顺序进行迭代计算；

34)执行数据一维化GPU并行计算；

35)计算结果输出及数据返回：得到一个时间节点的数据后，将结果导回CPU内存中输出；再将当前时间节点的数据返回到GPU中进行下一个时间节点的运算，直到时间循环结束。

3.如权利要求2所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，步骤31)具体通过CUDA语言中的cudaMemcpy函数将数据由CPU拷贝到GPU；步骤35)具体通过CUDA中的cudaMemcpy函数将数据由GPU拷贝到CPU。

4.如权利要求2所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，步骤33)通过内核函数Kernel分配变量的计算顺序，具体将变量数据计算顺序分为速度分量计算和应力分量计算两部分，分别进行速度分量和应力分量的计算，在循环中按顺序进行迭代计算。

5.如权利要求1所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，步骤2)生成地震波传播三维正演模拟模型方程的边界条件包括如下步骤：首先设置衰减系数，再分解运算方程并加入衰减项；最后代入原方程重新进行差分计算，得到方程的边界条件。

6.如权利要求5所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，所述方程的边界条件为完全匹配层边界条件；所述完全匹配层基于衰减因子在边界处的衰减作用实现，采用的衰减因子为：

其中，V_max的取值为速度模型中最大纵波速度；δ为匹配层宽度；x、y、z为三个方向上的网格点位置；Δx、Δy、Δz为笛卡尔坐标系中三个方向上的差分间距；R为理想边界层反射系数，即衰减系数，一般取值介于10^-4-10^-10；为调节系数，用于自行调节边界吸收的强度；ddx(x)、ddy(y)、ddz(z)为衰减因子，当ddx(x)、ddy(y)、ddz(z)不为零时是衰减状态，当ddx(x)、ddy(y)、ddz(z)均为零时是不衰减状态；

完全匹配层边界条件的生成加入过程具体为：首先设置三维模型网格大小，并设定完全匹配层的边界厚度；然后设置衰减系数和调节系数，进行测试和对比，得到合适的衰减因子；再将弹性波应力-速度方程分解在x、y、z三个方向上，当有相关方向的差分计算时，在该方向做分解；而后在x、y、z三个方向上分别加入变量衰减项，衰减项中包含衰减因子；最后带入差分方程在x、y、z三个方向上分别进行数值差分计算。

7.如权利要求1所述GPU并行三维地震波场生成方法，其特征是，方程的稳定性条件为满足式15：

式中，Δx、Δy、Δz为笛卡尔坐标系中三个方向上的差分间距；Δt为时间差分间距；差分定义为2阶时间、2L阶空间差分；V_MAX的取值为速度模型中纵波最大速度；ε是稳定性因子。

8.一种GPU并行三维地震波场生成系统，包括震源子波获取模块、观测系统模块、地质参数获取模块、非地质参数调整模块、边界条件生成模块、高阶差分GPU正演模块和地震波场生成模块；所述震源子波获取模块用于获取地震子波数据；所述观测系统模块用于建立地面数据收集系统；所述地质参数获取模块用于获取模型所对应对的地质参数信息；所述非地质参数调整模块用于调整合适的参数，满足稳定性条件；所述边界条件生成模块用于生成模型所对应的完全匹配层边界条件；所述高阶差分GPU正演模块包括利用高阶差分对波动方程进行一维化数值离散的高阶有限差分离散子模块和分维度并行处理整个空间的差分数据的GPU并行处理子模块；所述地震波场生成模块，用于生成地面地震记录和波场切片结果。

9.如权利要求8所述GPU并行三维地震波场生成系统，其特征是，所述地质参数获取模块包括勘探数据采集子模块、处理地震剖面子模块和分析合成模型子模块；所述勘探数据采集子模块用于采集地震数据；所述处理地震剖面子模块利用地震工业处理软件处理所述地震数据，获得地震剖面和建模数据；所述分析合成模型子模块对所述地震剖面和建模数据进行分析，获得对应的地质参数信息，合成模型数据。

10.如权利要求8所述GPU并行三维地震波场生成系统，其特征是，所述系统采用CUDA语言实现GPU并行生成三维地震波场。