随着地震勘探的逐步深入,勘探目标由简单的构造性油气藏逐渐转向复杂的岩性油气藏、隐蔽性油气藏、复合型油气藏以及非常规油气藏等,这类油气藏的主要特点是目标地质体变小、非均质性增强、横向变速问题严重。在这类复杂介质条件下,射线类传播算子容易出现焦散、阴影区等问题,使得成像结果精度低,反演过程不稳定。另外,射线类方法一般只能利用反射地震数据的旅行时信息,对波形信息利用不充分,从而限制了该类方法的精度。本论文在声介质假设下,利用反射地震数据的波形信息通过波动方程传播算子对地下介质参数进行反演成像。反演成像最典型的方法是波形反演,该方法通过最小化正演数据和采集数据之间的残差得到地下模型。由于对初始速度场依赖性强、震源子波估计困难以及噪音干扰等因素的影响,波形反演应用于实际地震数据处理仍然十分困难。工业界更为常用的方法是将地下模型分解为高波数(反射系数)和低波数(背景速度)成分,然后分别利用偏移和速度分析对反射系数和背景速度进行成像。由于常规的偏移和偏移速度分析方法大多只利用地震数据中的旅行时信息,成像精度有限,难以满足岩性油气藏地质解释的需求,因此需要发展更高精度的成像方法。为了将反射系数成像和背景速度建模建立在统一的反演成像理论框架下,论文第一章首先定义了不同类型的扩展模型空间以及对应的正演方程。在此基础上,提出了扩展波形反演目标泛函,该泛函不仅建立了与常规波形反演之间的联系,也提供了进行非线性偏移速度分析的可能性。为了降低扩展波形反演的计算成本,论文在线性Born近似下,推导得到线性扩展波形反演目标泛函以及对应的梯度计算公式,从理论上建立了反射系数成像和偏移速度分析之间的联系。该章最后通过数值试验验证了线性扩展波形反演目标泛函的凸函数性质以及Hessian矩阵的伪局部特性,为后续章节奠定理论基础。为得到反射系数的成像结果,工业界一般利用偏移技术进行成像,其中波动方程偏移已逐步成为常规处理流程。相对于单程波波动方程偏移,逆时偏移采用的是双程波传播算子,没有倾角限制,成像精度更高。但是由于常规的互相关成像条件仅仅是线性Born近似正演算子的共轭,而不是它的逆,成像精度有限。最小二乘逆时偏移将反射系数成像看作线性反演问题,通过迭代算法使得线性Born近似正演后的数据和反射地震数据之间的差最小,从而得到分辨率更高、保幅性更好的成像结果。与波形反演类似,当背景速度与真实速度相差较大时,线性born近似正演结果与接收数据之间相差大于半个波长,最小二乘逆时偏移容易陷入局部极小值,使得反演无法达到全局最优解。为了克服这一问题,论文第三章引入扩展反射系数模型,通过对反射系数模型沿地下偏移距方向进行扩展,消除线性扩展born近似正演结果与反射地震数据之间的相位差异,然后通过迭代反演逐步修正反射系数的振幅属性。由于扩展后模型的自由度增加,原来的超定问题转化为欠定问题,使得反问题存在多解性。为此,第三章也介绍了各类不同的正则化约束条件,并指出合适的正则化算子不仅可以使得反演过程更加稳定,而且能够改善反演成像效果。由于逆时偏移计算成本很高,应用扩展成像条件后计算成本进一步增加,而最小二乘扩展逆时偏移需要多次应用扩展逆时偏移,因此计算成本极高。为了提高计算效率,第三章也介绍了各种不同的加速策略。一种策略是利用炮编码技术减小数据规模,通过优化编码函数和优选正则化算子压制编码引入的噪音。第二种策略是通过构建成像域目标泛函,进行面向目标的反演成像,减小模型空间大小。第三种策略通过计算近似hessian矩阵对角线元素并将其作为预条件算子,加快反演的收敛速度。最后还通过改进反演算法,加快反演的收敛速度。尽管对反射系数模型进行扩展,可以解决正演数据和接收数据之间的旅行时差异问题,但是具有物理意义的反射系数成像位置取决于背景速度。如果背景速度不准确,最小二乘偏移将反射能量成像在错误的位置。为此,第四章在线性扩展波形反演的理论框架下,讨论背景速度建模问题。根据不同的成像最优化准则,详细讨论了三类偏移速度分析目标泛函。由于微分相似度最优化准则具有全自动、且对初始速度模型依赖性较小,本章主要采用该方法进行速度建模。在该准则下,分别讨论了波动方程层析算子、成像扰动以及正则化算子三个关键问题。与此同时,本章也介绍了利用图像校正方法计算成像扰动的思想,可以在一定程度上解决微分相似度方法引入的梯度噪音。由于波动方程层析算子计算成本很高,第四章也讨论了相应的加速策略。与最小二乘偏移类似,波动方程偏移速度分析也可以通过炮编码技术压缩数据规模,提高计算效率。另外,本章引入成像域编码技术,不仅可以进行面向目标的速度建模,而且可以优化采集参数,减小数据规模。与此同时,本章也讨论了波动方程速度分析目标泛函的Hessian矩阵。并用该矩阵的对角线元素作为预条件算子对反演进行加速,加快反演收敛速度。通过理论模型和实际资料处理验证本章方法的正确性和有效性。第五章给出了有关最小二乘偏移和波动方程速度分析这两种反演成像方法的结论与认识,分析了该处理流程的适用性,并就论文的不足和今后工作做出了展望。