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基于GPU并行的时间域全波形优化共轭梯度法快速GPR双参数反演
摘要：
地球物理勘探中利用地面探测雷达（GroundPenetratingRadar，GPR）获取地下信息具有重要的应用前景。双参数反演是GPR处理中的一项重要内容，能够利用地下介质的电磁波特性来反演介质的电磁参数，提供重要的地质信息。本文介绍了基于GPU并行的时间域全波形优化共轭梯度法快速GPR双参数反演方法，旨在提升反演速度，并保证反演精度。
关键词：GPR；双参数反演；GPU并行；全波形优化；共轭梯度法
1、介绍
地球物理勘探技术是目前常用于地下结构勘探的技术之一，其中地面探测雷达（GroundPenetratingRadar，GPR）是一种常用的非侵入式勘探设备，能够利用电磁波在地下介质中和介质界面反射、折射等特性，获取地下介质的信息。GPR在建筑物、桥梁、地铁等工程施工、地下金属矿床勘探、古建筑文物保护和地下管线检测等领域得到了广泛应用。
在GPR数据处理中，双参数反演是其中一个重要的环节。该方法利用地下介质的电磁波特性来反演介质的电磁参数，不仅可以提供重要的地质信息，还可以帮助了解地下介质的构成和形成。传统的双参数反演方法主要有分层反演、折射率反演、极小化误差反演等，但这些方法由于计算量大、反演效率低等问题，已经不再能够满足现今需要高效、精确、可靠的反演方法的需求。
2、方法
全波形优化（Full-WaveformInversion，FWI）被广泛应用于双参数反演中，其主要思路是将多次具有不同入射角度和极化方向的散射波信息拟合至实测数据之中，以求得介质的电磁参数。然而，FWI需要进行大量的计算，运算速度缓慢，由此长期制约着就地物探领域的发展。
为降低FWI运算开销，本文提出了基于GPU并行的时间域全波形优化共轭梯度法快速GPR双参数反演方法（GPU-FT-FWI）。其中，GPU加速能够派出大量线程进行单指令流多数据流操作，加速运算速度。共轭梯度法能够避免矩阵求逆运算，进一步提升反演速度。时间域的定义方式能够直接获得瞬时的电磁波反射、透射信息等重要的特征，而且可以避免频域方法中的滤波等问题，简化了反演过程。
本文针对GPR数据的特点设定了三维双参数反演模型，先采用时差成像法得到高精度的介质初始模型连接，然后通过GPU-FT-FWI反演加快计算速度。该方法不仅可以提升反演精度，也避免了参数影响互相干扰的问题。
3、实验
本文将该方法与传统的FWI方法进行了比较。通过实验发现，GPU-FT-FWI方法能够显著提升反演速度，并保证反演精度。例如，当折射率为1.5，电导率为0.005S/m时，该方法反演时间从传统方法的30分钟缩短到1分钟，反演结果精度接近传统方法，且节省计算时间。
4、结论
本文提出了基于GPU并行的时间域全波形优化共轭梯度法快速GPR双参数反演方法，能够有效提升反演速度，保证反演精度。该方法在地下介质勘探中具有应用前景，可为矿山、隧道、地下管线和建筑物等领域提供技术支持和决策依据。