專利名稱：一種地震疊前時間偏移走時處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)高性能計算、并行計算領(lǐng)域、石油地震勘探領(lǐng)域，具體涉及一種針對NVIDIA的Fermi GPU設(shè)計的地震疊前時間偏移走時計算并行算法。
背景技術(shù)：
地震資料處理是石油和天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的方法是通過人工放炮方式產(chǎn)生地震波，通過地面檢波器將地下不同地質(zhì)層反射回來的地震波信號收集后，利用大型計算機(jī)通過多套專業(yè)處理軟件和一套完整的疊前時間偏移、疊前深度偏移軟件系統(tǒng)進(jìn)行資料處理，從而得到地下的構(gòu)造以及成像。為石油鉆井提供更加可靠的勘探數(shù)據(jù)，用于勘探專家進(jìn)行下一步的分析和解釋，掌握地下的油氣構(gòu)造。疊前時間偏移是構(gòu)造復(fù)雜成像最有效的方法之一，它能適應(yīng)縱向速度變化較大的情況，適用于大傾角的偏移成像。而其中走時計算是計算地震波從震源傳到觀測點(diǎn)所經(jīng)過的時間，即計算地震波從震源傳到成像點(diǎn)所經(jīng)過的時間與地震波從成像點(diǎn)傳到觀測點(diǎn)所走過的時間之和。因此，走時計算是疊前時間偏移中最關(guān)鍵、最費(fèi)時的一個環(huán)節(jié)，其采用的算法大致分為三類，即直射線、彎曲射線以及非對稱走時計算。由于疊前時間偏移動輒需要處理數(shù)以TB的海量數(shù)據(jù)，以串行方式實(shí)現(xiàn)的走時計算算法，處理性能十分低，已經(jīng)嚴(yán)重制約工業(yè)生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種地震疊前時間偏移走時處理方法及裝置，以提高疊前時間偏移處理性能。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種地震疊前時間偏移走時處理方法，包括對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，每個點(diǎn)按照(x，y，z)坐標(biāo)唯一確定，對X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)所構(gòu)成與Z軸平行的豎線之間并行進(jìn)行走時計算，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算；建立計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)線程模型和CUDA內(nèi)存模型以進(jìn)行上述并行走時計
笪
o較佳地，上述方法中，建立CUDA線程模型指將整個成像空間XY平面劃分為NX*NY/4塊，每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算，每一個Block包括128線程,其中每32個線程計算一條豎線。較佳地，上述方法中，所建立的CUDA內(nèi)存模型包括全局內(nèi)存、紋理內(nèi)存、共享內(nèi)存和常量內(nèi)存。較佳地，上述方法中，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算指對于每條豎線內(nèi)的點(diǎn)，先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時，對不能被8整除的點(diǎn)則依賴于與其臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得到該點(diǎn)的走時。
本發(fā)明還公開了一種地震疊前時間偏移走時處理裝置，包括第一單元，對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，每個點(diǎn)按照(x，y, z)坐標(biāo)唯一確定;第二單元，對三維X-Y-Z坐標(biāo)系中X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)所構(gòu)成與Z軸平行的豎線之間并行進(jìn)行走時計算，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算，以及建立計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)線程模型和CUDA內(nèi)存模型以進(jìn)行上述并行走時計算。較佳地，上述裝置中，第二單元，建立CUDA線程模型指，將整個成像空間XY平面劃分為NX*NY/4塊,每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算,每一個Block包括128線程，其中每32個線程計算一條豎線。 較佳地，上述裝置中，第二單元，所建立的CUDA內(nèi)存模型包括全局內(nèi)存、紋理內(nèi)存、共享內(nèi)存和常量內(nèi)存。較佳地，上述裝置中，所述第二單元，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算指對于每條豎線內(nèi)的點(diǎn)，先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時，對不能被8整除的點(diǎn)則依賴于與其臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得到該點(diǎn)的走時。本申請技術(shù)方案充分利用了 GPU的多核處理能力，解決了疊前時間偏移走時計算的瓶頸，令疊前時間偏移處理性能獲得大大提升。即本申請技術(shù)方案滿足了石油地震勘探資料處理的需求，并且降低了機(jī)房構(gòu)建成本和管理、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。
具體實(shí)施例方式圖I為本實(shí)施例中地震疊前時間偏移走時處理流程圖；圖2為本實(shí)施例中8層內(nèi)32個點(diǎn)并行走時計算線程圖；圖3為本實(shí)施例中I層內(nèi)32個點(diǎn)并行走時計算線程圖；圖4為本實(shí)施例中疊前時間偏移串行走時計算成像效果圖；圖5為本實(shí)施例中疊前時間偏移并行走時計算成像效果圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文將結(jié)合附圖
對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。實(shí)施例I本實(shí)施例，提供一種地震疊前時間偏移走時處理方法，該方法以Kirchhoff積分法疊前時間偏移走時計算串行算法為基礎(chǔ)，并基于NVIDIA的Fermi GPU硬件體系結(jié)構(gòu)，利用CUDA (Computing Unified Device Architecture,計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu))技術(shù)對原有串行走時計算算法進(jìn)行并行化設(shè)計的。具體地，該方法的過程如圖I所示，包括如下步驟步驟100，確定并行走時計算算法；該步驟中，對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，假設(shè)第一維大小為NX，第二維大小為NY，第三維大小為NZ，那么需要進(jìn)行走時計算的總點(diǎn)數(shù)為NX*NY*NZ，每個點(diǎn)按照(x，y，z)坐標(biāo)唯一確定。X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)構(gòu)成一條與Z軸平行的線，物理上是一條垂直于地面的豎線，那么這樣的豎線有NX*NY條，并行走時計算采用兩級并行，豎線與豎線之間并行進(jìn)行走時計算；每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算。其中，對于同一條豎線上每一個點(diǎn)的走時T可采用多種方式計算。而本實(shí)施例中對同一條豎線上每一個點(diǎn)的走時T采用估算方式計算，即首先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時T,其余點(diǎn)的走時T依賴于與它臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得。 步驟200，確定CUDA線程模型；該步驟中，將整個成像空間XY平面看成一個網(wǎng)格(Grid)，將Grid定義為(NX，NY/4)，即把整個Grid分為NX*NY/4塊(Block)，每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算^fBlock定義為(32，4)，即每一個Block包括128線程(Thread)，其中每32個線程計算一條豎線。步驟300，確定CUDA內(nèi)存模型，主要是根據(jù)數(shù)據(jù)訪問特點(diǎn)及NVIDIA Fermi GPU內(nèi) 存資源特性，選擇不同的內(nèi)存存放不同的數(shù)據(jù)，以達(dá)到性能最優(yōu)。該步驟中，CUDA內(nèi)存模型至少包括Global memory (全局內(nèi)存)、Texturememory (紋理內(nèi)存)、Shared memory (共享內(nèi)存)和 Constant memory (常量內(nèi)存)。其中，Global memory指成像空間數(shù)據(jù)存儲方式是先按照Z方向連續(xù)，同時Z方向維度大小總是32的整數(shù)倍。Z方向的計算總是以32為單位進(jìn)行計算。因此在同一時刻，32個線程可以同時訪問成像空間的32個點(diǎn)，而且這32個點(diǎn)在內(nèi)存中是連續(xù)的，并且可以做到線程與訪問點(diǎn)的--對應(yīng)，從而形成對Global Memory的合并訪問，提高訪存性能；Texture memory指由于GPU中的Texture memory有cache,把只讀并且頻繁訪問的大輸入道數(shù)據(jù)存放其中，將提高訪存性能；Shared memory指由于Shared memory為GPU的片上內(nèi)存，訪問速度快，對于一個Block塊中公共的數(shù)據(jù)，如能被8整除的點(diǎn)的走時、速度場等小數(shù)據(jù)，可以放入共享內(nèi)存中，將提高訪存性能；Constant memory指對于PSTM計算中只讀的、頻繁被訪問的小數(shù)據(jù)塊可以放入Constant memory中，將大大提高訪存性能。下面結(jié)合具體應(yīng)用場景，詳細(xì)介紹上述方法的實(shí)現(xiàn)過程。首先進(jìn)行走時計算部分串行算法的并行性分析，將整個走時計算的代碼從疊前時間偏移程序中抽取出來，研究走時計算的串行算法，分析其是否具有并行性，研究發(fā)現(xiàn)每一點(diǎn)的走時計算是并行的，數(shù)據(jù)不存在依賴性，可以設(shè)計走時計算并行算法，利用CUDA實(shí)現(xiàn)，移植到NVIDIA GPU中運(yùn)行。其次，需要確定并行走時計算算法，選定一個體偏成像空間，假設(shè)其第一維大小為177，第二維大小為1097，第三維大小為1504，那么需要進(jìn)行走時計算的總點(diǎn)數(shù)為177*1097*1504，即垂直于地面的豎線有177*1097 = 194169條，并行走時計算采用兩級并行，上述194169豎線之間互不依賴，可以并行進(jìn)行走時計算；每條豎線內(nèi)的1504個點(diǎn)可以并行進(jìn)行走時計算。并且對于同一條豎線上的1504個點(diǎn)的走時T并不需要精確計算出，而是首先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時T，其余點(diǎn)的走時T依賴于與它臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得。其具體過程如下A、如圖2所示，以8層為一個計算單元，I個warp內(nèi)32個線程精確并行計算出索引值能被8整除的33個點(diǎn)的走時T，其中線程0多計算一個點(diǎn)；
B、判斷一層內(nèi)所有點(diǎn)的索引號落在哪兩個最近的索引號能被8整除的點(diǎn)之間，然后計算其插值因子； C、并行進(jìn)行插值計算，如圖3所示，以一層為一個計算單元，I個warp內(nèi)32個線程并行插值計算一層內(nèi)所有點(diǎn)(包括索引號能被8整除的點(diǎn)和索引號不能被8整除的點(diǎn))的走時T，循環(huán)8次后，整個8層的所有點(diǎn)的走時T將被計算完成。接下來，確定CUDA線程模型，將整個上述成像空間XY平面看成一個網(wǎng)格(Grid)，其 Grid 定義為 dim3 Grid(177，(1097+3)/4),即把整個 Grid 分為 177*(1097+3)/4 塊(Block),每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算；把Block定義為dim3 Block (32,4),即每一個Block包括128線程(Thread),其中每32個線程計算一條豎線。最后確定CUDA內(nèi)存，即根據(jù)數(shù)據(jù)訪問特點(diǎn)及NVIDIA Fermi GPU內(nèi)存資源特性，選擇不同的內(nèi)存存放不同的數(shù)據(jù)，以達(dá)到性能最優(yōu)。其中，CUDA內(nèi)存至少包括Global memory>Texture memory> Shared memory 和 Constant memory。下面針對上述具體計算，進(jìn)行正確性測試，主要通過運(yùn)行上述體偏作業(yè)，獲得圖4、圖5成像效果圖。其中，圖4為疊前時間偏移走時計算采用串行算法，運(yùn)行于CPU上所獲得的成像效果。圖5為疊前時間偏移走時計算采用并行算法，運(yùn)行于GPU上所獲得的成像效果。從結(jié)果來看，兩幅圖像不存在明顯差異，證明基于GPU的地震疊前時間偏移走時處理方法是正確的。再來了解性能測試中的測試環(huán)境及測試數(shù)據(jù)。測試環(huán)境包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境、疊前時間偏移運(yùn)行內(nèi)核，其中疊前時間偏移運(yùn)行內(nèi)核為疊前時間偏移的核心計算部分，即包括走時計算部分；測試數(shù)據(jù)為輸入的測試地震道數(shù)據(jù)集。對于成像空間而言，其中第一維為X軸方向的大?。坏诙S為Y軸方向的大?。坏谌S為Z軸方向的大小，具體各項(xiàng)參數(shù)如表I所示。表I為測試環(huán)境和測試數(shù)據(jù)參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種地震疊前時間偏移走時處理方法，其特征在于，該方法包括 對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，每個點(diǎn)按照(x，y, z)坐標(biāo)唯一確定，對X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)所構(gòu)成與Z軸平行的豎線之間并行進(jìn)行走時計算，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算； 建立計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)線程模型和CUDA內(nèi)存模型以進(jìn)行上述并行走時計算。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，建立CUDA線程模型指 將整個成像空間XY平面劃分為NX*NY/4塊，每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算，每一個Block包括128線程,其中每32個線程計算一條豎線。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于， 所建立的CUDA內(nèi)存模型包括全局內(nèi)存、紋理內(nèi)存、共享內(nèi)存和常量內(nèi)存。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算指 對于每條豎線內(nèi)的點(diǎn)，先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時，對不能被8整除的點(diǎn)則依賴于與其臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得到該點(diǎn)的走時。
5.一種地震疊前時間偏移走時處理裝置，其特征在于，該裝置包括 第一單元，對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，每個點(diǎn)按照(x，y, z)坐標(biāo)唯一確定；第二單元，對三維X-Y-Z坐標(biāo)系中X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)所構(gòu)成與Z軸平行的豎線之間并行進(jìn)行走時計算，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算，以及建立計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)線程模型和CUDA內(nèi)存模型以進(jìn)行上述并行走時計算。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于， 第二單元，建立CUDA線程模型指，將整個成像空間XY平面劃分為NX*NY/4塊，每一個Block的線程計算4條垂直于地面的豎線的點(diǎn)的走時計算,每一個Block包括128線程,其中每32個線程計算一條豎線。
7.如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于， 第二單元，所建立的CUDA內(nèi)存模型包括全局內(nèi)存、紋理內(nèi)存、共享內(nèi)存和常量內(nèi)存。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于， 所述第二單元，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算指對于每條豎線內(nèi)的點(diǎn)，先并行計算出索引值能被8整除的點(diǎn)的走時，對不能被8整除的點(diǎn)則依賴于與其臨近的已精確計算的兩個點(diǎn)的值作線性插值得到該點(diǎn)的走時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地震疊前時間偏移走時處理方法及裝置，涉及計算機(jī)高性能計算、并行計算領(lǐng)域、石油地震勘探領(lǐng)域。本發(fā)明公開的地震疊前時間偏移走時處理方法包括對成像空間建立三維X-Y-Z坐標(biāo)系，每個點(diǎn)按照(x，y，z)坐標(biāo)唯一確定，對X、Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)所構(gòu)成與Z軸平行的豎線之間并行進(jìn)行走時計算，對每條豎線內(nèi)的點(diǎn)并行進(jìn)行走時計算；建立計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)線程模型和CUDA內(nèi)存模型以進(jìn)行上述并行走時計算。本發(fā)明還公開了一種地震疊前時間偏移走時處理裝置。本申請技術(shù)方案解決了疊前時間偏移走時計算的瓶頸，令疊前時間偏移處理性能獲得大大提升。
文檔編號G01V1/28GK102636808SQ20121002634
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者吳慶, 張清, 謝海波, 趙開勇 申請人:浪潮(北京)電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司