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电磁法一维正演过程并行化及GPU算法初步研究

刘富波  
【摘要】:电磁法的正演问题实质上是求解地球物理模型的响应函数问题,正演是反演的前提和条件,只有准确的计算出地球的响应函数,才有可能求得可靠的地球物理模型。电磁法正反演计算经历了从一维、二维到三维的发展过程,但是任何一种反演方法,大量的正演计算都是不可避免的,正演计算的速度直接决定了反演计算的速度,同时决定了反演计算的适用度。目前在正演计算的研究方面多以二维和三维的有限差分法、有限单元法和积分方程法为主,一维正演计算较少被提及。相比于二维和三维的正演计算,一维正演计算的发展较为成熟,且在实际生产中得到广泛的应用。 随着并行计算技术的发展及其在电磁法领域的广泛应用,研究一维正演的计算过程并通过并行计算技术使其计算速度得到提高成为可能。CPU(CentralProcessing Unit,中央处理器)并行计算是伴随着多核CPU计算机出现的,CPU并行计算技术已经在诸多领域得到广泛应用,尽管CPU并行计算技术日臻成熟,但受硬件所限,CPU并行计算加速性能有限。GPU(Graphic Processing Unit,图形处理器)是近几年得到广泛应用的一种并行计算技术,利用GPU的加速性能大大提高了通用科学与工程计算的效率,GPU技术自出现后发展迅速,通常一颗GPU具有几十甚至上千个处理器,计算性能是CPU的上百倍,在大数据量的运算中具有很强的实用性。本文尝试将CPU和GPU并行计算引入到MT一维正演计算和电偶极子CSAMT一维正演计算中去,结果表明,CPU和GPU都能够提高正演计算的速度,尤其是GPU并行计算大大缩短了正演计算的时间。同时,通过对频率域偶极源、时间域偶极源以及时间域大定回线等常用电磁方法的讨论,希望能够将GPU并行算法进一步在电磁法中推广应用。 本文中所有程序均由Fortran语言编写,考虑到目前多数工作者采用C、C++语言作为主要的编程语言,而这两种计算机语言在数值运算中存在一定的不足。本文尝试用C、C++语言编写常用的复数运算模块,以便查用。 篇幅所限,本文讨论仅限于部分常用电磁法技术的正演,希望在下一步工作中能够将GPU并行计算引入到一维反演计算中,并在实际工作中得到应用。


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