经济的发展促进了能源需求的增加,使得海洋深水区油气勘探得到大力发展。而目前海洋深水区的地下构造复杂,小构造发育,油气埋藏深,上覆层厚度大,中深层反射能量弱,常规的地震处理及成像方法得到的剖面较模糊,不能满足后期解释的要求。海底电缆采集到的多分量地震数据包含了丰富的海底信息,方位角全、偏移距大,全波形反演能够充分这些有效信息来建立速度模型,是目前成像精度较高的方法。但由于该技术本身的一些局限性,例如计算过程中占用内存大、计算耗时长等问题,尚处在理论研究阶段,难以投入到实际生产中。本论文针对时间域全波形反演存在的主要问题,结合海底OBC多分量数据的特点,完成了一套完整的海底OBC多分量时间域多尺度全波形采集技术研究,从正演效率方面、全波形反演理论、梯度求取、梯度预处理、多尺度反演等几个方面开展了详细的研究,取得了以下主要成果:(1)实现了基于MPI的任意偶阶的时间域并行正演模拟,该技术可以更快推进时间域全波形反演的发展,通过基于区域分解的并行化设计,提高计算效率。该并行正演计算从X方向和Z方向均可进行区域划分,且并行进程数可自由选择。当并行进程数达到一定个数时,进程之间的数据交换时间明显提高,而且交换时间与计算时间之比越来越大。此时由于交换时间增加导致正演效率并没有明显的提高,既浪费了计算资源,又无法提高计算效率。(2)在正演中实现了CFS-NPML边界条件。实现过程中通过引入辅助变量避免了常规CPML的大量卷积计算,并结合交错网格的特点给出了辅助变量的取值时刻,给出了辅助变量波动方程离散形式的具体表达式。CFS-NPML边界条件处只需在边界存储辅助变量,不需要对波场进行分裂,存储空间小且实现简单。CFS-NPML边界条件不仅能避免传统PML边界条件在大角度入射产生瞬逝波外,在较少边界网格数的情况下对边界反射也有很好的压制。(3)实现了基于CFS-NPML边界存储和随机边界的波场重建技术,以计算代替存储,解决了全波形反演梯度求取时保存正演波场所需的大量内存问题。从所需内存上来看,基于边界储存法需要存储边界处所有时刻的波场值和整个模型最后一个时刻的波场值,其中CFS-NPML边界条件在边界处所需变量最少,且网格点较少时也可很好压制边界反射,故所需内存较小;基于随机边界波场重建法只需存储最后一个时刻整个模型的波场值,存储量最小。从计算量来看,基于边界存储法相当于多进行了一次正演模拟,但只需考虑内部计算区域,PML边界内不需再进行计算。基于随机边界法相当于多了两次正演模拟。从实现效果来看,基于边界存储法得到的反演结果与常规全波场保存的反演结果一致,而基于随机边界法的反演结果由于随机随便产生的随机绕射波能量,对梯度的求取影响较大,导致深层反演较差。(4)基于地震波能量预处理能避免Hession矩阵及其逆的复杂求解,提高深度的反演精度。其中利用残差进行检波点照明能量的计算可以直接利用检波点残差反传过程中直接求取,不需要额外增加计算,但是会存在异常扰动点假象;利用合成记录计算检波点照明能量时不会导致异常扰动点假象,但是需要再进行一次额外的反向传播;采用近似格林函数响应法假设地表所有点均有检波器,且地下为均匀模型,计算量最小。其中采用合成记录逆传法的反演结果最好,其次是近似格林响应法预处理,最后是残差逆传预处理法。(5)提出了一种基于巴特沃斯自相关低通滤波器的多尺度全波形反演。巴特沃斯滤波器在通带内较平坦,在通带外单调递减,是无缝低通滤波器,巴特沃斯滤波器自相关滤波器为零相位系统,能保证地震子波及地震信号滤波后的波形基本保持不变。在此基础上,给出了相应的频率选择策略,通过该策略可直接改变截止频率实现下一个更高截止频带的反演,能简单直接的实现时间域多尺度全波形反演,提高了反演的收敛性。三次卷积插值技术考虑邻近16个点的影响,计算精度高,能够较好的保持图像的细微结构,并且与真实值误差小。该插值技术可以实现粗网格大小与细网格大小呈任意倍数的插值。(6)对于纵波来说,近偏移距的Vz分量比Vx分量大,远偏移距的Vx分量比Vz分量大,在反演纵波速度时,应采用近偏移距的Vz分量和远偏移距的Vx分量。对于横波来说,近偏移距的Vx分量比Vz分量大,远偏移距的Vz分量比Vx分量大,在反演横波速度时,应采用近偏移距的Vx分量和远偏移距的Vz分量。水听器分量与Vz分量反演结果差别不大,反演出的纵波速度在深层较好,横波速度在深层较差。Vx分量反演的纵波速度在深层较差,横波速度在深层较好。Vx分量和Vz分量联合反演的纵波速度和横波速度在深层均比较好。纵横波速度和密度同时反演时,由于多参数的耦合使得密度反演误差很大。最后提出海底OBC多分量反演策略:即首先采用Vx分量和Vz分量联合反演速度,不反演密度。然后再将反演得到的纵横波速度以及初始密度作为新的初始模型,再同时进行纵横波速度以及密度的反演。