目前,煤田地震勘探在识别复杂地质构造、小尺度的地质体时,存在分辨率不能满足实际生产的问题。由于地层普遍具有粘弹性,地震子波在地下传播过程中表现出衰减特征,地震信号实为非平稳信号。基于平稳地震信号假设的反褶积方法,难以解决因地震子波衰减引起的分辨率降低问题。时频域反褶积方法考虑了地层所具有的粘弹性衰减特征,能够有效恢复地层反射系数,提高地震勘探分辨率。本文围绕时频域反褶积的关键内容:时频分析方法、时变子波提取方法和反褶积算子设计等方面进行研究。时频分析方法作为时频域反褶积的基础,对时频分析方法的研究尤为重要。本文首先从时频分辨率、相位特征和信号重构能力三个方面,对比了短时傅里叶变换（STFT）、Gabor变换、小波变换（CWT）、S变换和广义S变换方法。时频分辨率方面,CWT、S变换和广义S变换均属于多分辨率分析方法,时频分辨率高于STFT和Gabor。相位特征方面,STFT、Gabor变换、S变换和广义S变换均具有Fourier基函数,相位信息具有统一的基准。基于复信号分析技术的CWT可以获得相位信息,但相位信息没有统一的基准。信号重构方面,STFT、Gabor变换、CWT、S变换和广义S变换都具有很好的信号重构能力。因此,S变换和广义S变换兼具了STFT、Gabor变换和CWT的优点。但是,利用S变换和广义S变换分析低频信号时,普遍存在时间分辨低的问题。为解决这一问题,本文通过设计广义S变换中的高斯时窗函数,提出了一种改进的广义S变换（IGST）。理论推导表明改进的广义S变换具有无损可逆和相位基准统一的优点。改进的广义S变换在保证高频信号时频分辨率的情况下,提高了低频信号的时间分辨率,时频分析效果优于S变换和广义S变换方法。基于改进的广义S变换,本文提出复赛时频谱谱模拟法提取时变子波的方法,构建了改进的时频域（ITFD）反褶积方法。首先,利用IGST将地震记录分解至时频域,再将其转换到复赛时频域;其次,基于信赖域算法,采用高阶Fourier级数拟合复赛时频振幅谱中每一时刻的时变子波振幅谱,克服了褶积模型中反射系数白噪假设;再次,为了消除时变子波时频振幅谱提取结果的不稳定性,本文将矩形窗平滑法和时频域双曲平滑法用于时变子波振幅谱平滑;最后,利用Hilbert变换估计时变子波时频相位谱,从而提取了时变子波时频谱。通过与实际时变子波、Gabor反褶积时变子波的时频振幅谱对比,表明本文提出的时变子波提取方法具有更加理想的效果。结合时变子波的时变特征,本文设计了合理的反褶积算子,从而构建了一种新的时频域反褶积方法。该方法的反褶积结果优于最小平方反褶积和Gabor反褶积,与实际反射系数吻合较好。结合广义标准线性固体和差分进化算法,本文建立了近似常Q值粘声波方程。采用高阶交错网格有限差分方法,实现了近似常Q值粘声波方程的数值求解。针对煤系层状、断层和陷落柱地质模型,开展了弹性声波和粘声波波场正演模拟。相对弹性声波波场,粘声波波场中反射波的能量存在衰减特征,反射波同相轴变宽。为验证改进的时频域反褶积方法的有效性,本文分别利用最小平方反褶积、Gabor反褶积和ITFD反褶积方法处理粘声波地震剖面,结果表明三种方法均可以有效提高反射波同相轴的分辨率,但最小平方反褶积没有补偿介质粘弹性导致的能量衰减,且深部反射波同相轴难以识别;Gabor反褶积补偿了介质粘弹性衰减导致的反射波能量衰减,但其存在时变子波提取效果较差,残余子波降低了地震剖面信噪比的问题;ITFD反褶积方法不仅补偿了介质粘弹性衰减导致的能量衰减,而且拓宽了地震有效频带,成像效果优于最小平方反褶积和Gabor反褶积。基于IGST的时频分析表明ITFD反褶积方法能够提高地震分辨率,拓宽地震频带,提高对断点和断面的识别能力。为了消除地震道之间的振幅能量差异,本文采用标准道的L2范数进行能量均衡,提高反射波同相轴连续性。实际地震资料处理中,若采用标准地震道提取的时变子波进行时频域反褶积,将影响地震反射波同相轴的连续性。基于L2范数的时变子波提取方法,可以有效均衡各道之间的能量差异,提高地震反射波同相轴的连续性。此外,为了提高时频域反褶积的抗噪性,本文对多道时变子波进行加权平滑处理,建立了基于ITFD反褶积方法的技术流程。实际数据验证了该技术流程的合理性和可行性,可以有效补偿深部反射波能量,提高煤田地震数据的垂向分辨率。