基于GPU的波動(dòng)方程正演模擬的實(shí)現(xiàn)

袁崇鑫++鄧飛

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得波動(dòng)方程正演由理論研究應(yīng)用到實(shí)際地震勘探中成為了可能。而有限差分技術(shù)作為地震波場(chǎng)模擬的一種有效數(shù)值方法，它具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，速度快，從而被廣泛應(yīng)用正演計(jì)算密集的波形正反演中。地震波正演的計(jì)算量大，通過CPU來計(jì)算地震波正演模擬嚴(yán)重影響整體運(yùn)算效率，GPU通用計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)生及其在內(nèi)的數(shù)據(jù)并行性有望改變這一狀況。該文主要研究波動(dòng)方程正演在GPU上的模擬實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：波動(dòng)方程；有限差分；交錯(cuò)網(wǎng)格；GPU

中圖分類號(hào)： TU44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）18-4333-05

GPU-based Wave Equation forward Modeling to Achieve

YUAN Chong-xin， DENG Fei

（Chengdu University of Technology， Chengdu 610000， China）

Abstract： With the development of computer technology， the wave equation forward by the application of theory to real seismic exploration as possible. The finite-difference seismic wave field simulation technology as an effective numerical methods， it has a simple， fast， and thus is widely used computationally intensive forward modeling and inversion of the waveform. Computationally intensive seismic forward modeling of seismic waves through the CPU to calculate the forward modeling seriously affect the overall operational efficiency， GPU general computing technologies， including the generation and data parallelism is expected to change this situation. This paper studies the wave equation forward simulation on the GPU.

Key words： wave equation； finite-difference； staggered-grid GPU

1 概述

地震勘探技術(shù)是一種精度比較高、信息量較大的石油地震勘探方法。波動(dòng)方程正演則在地震資料采集，處理，解釋等方面發(fā)揮著重要作用。目前國內(nèi)外對(duì)于波動(dòng)方程的求解已形成多種精度較高的正演數(shù)值模擬方法[1-10]，在這些方法中，有限差分法是波動(dòng)方程正演模擬中最為流行的方法之一，它具有模擬精度高，簡(jiǎn)單、靈活以及通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，且容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。但計(jì)算效率低則一直是人們亟待解決的問題之一，而如何提高計(jì)算效率等問題一直是有限差分算法研究的核心問題。比如先前在單CPU上的計(jì)算發(fā)展到集群計(jì)算，再到目前較為關(guān)注的GPU計(jì)算。該文正是利用GPU這個(gè)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)波動(dòng)方程有限差分的正演模擬。

2 波動(dòng)方程有限差分離散化

在復(fù)雜介質(zhì)中研究地震波傳播問題時(shí)，為了求解問題的方便，往往需要將地下理想彈性介質(zhì)簡(jiǎn)化為聲學(xué)介質(zhì)來研究，只研究縱波的傳播特性。……