高频面波方法基于面波的频散特性而建立,目前已发展了稳定可靠的各类算法用于面波相速度频散曲线的提取和反演,获取地下的横波速度结构。高频面波以其非侵入性、无破坏性和高效性的特点,被广泛地应用于解决各类浅地表地球物理和地质工程问题。在常规的面波勘探应用中,各层的横波速度一般随深度递增,使用高频面波方法可以较好地刻画地下的横波速度结构。然而,浅地表的介质是复杂的,自然界中存在着大量速度非递增的地质结构,其中最常见的有低速夹层和高速夹层。面波在这类地下结构中的传播机制和频散特性会变得复杂。目前高频面波方法对于这类模型的研究尚不完善,应用效果有待改进。因此,本论文针对速度非递增层状模型,对高频面波方法数据处理流程中的成像、正演和反演部分都进行了系统性的研究。本论文提出了一种数据处理方法,可以提高τ-p变换法、f-k变换法、相移法、频率分解和倾斜叠加法这四种面波频散能量成像方法的成像分辨率,使其能成像出与高分辨率线性拉东变换相同分辨率的频散能量,并证明了对于无噪声的合成数据,这五种频散能量成像方法的分辨率本质上是一致的。通过正演计算理论频散曲线和本征位移,并与合成地震记录的频散能量对比分析,区分了速度非递增层状模型中面波和槽波这两类波的多阶模式频散曲线,并分别研究了它们的频散特性,为这类模型的面波频散曲线反演提供了可靠依据。本论文研究表明,仅考虑表层频散函数的广义反射透射系数法计算得到的理论频散曲线即能完全地匹配频散能量,且可以验证是面波频散曲线,适用于速度非递增层状模型的面波频散曲线正演计算。此外,本论文计算了速度非递增层状模型的相速度频散曲线关于各层横波速度变化的敏感度。分析结果表明,低速夹层的敏感度高,通过反演能准确地获取低速层的横波速度;但高速层以及异常层(低速夹层或高速夹层)以下层的敏感度低,其反演横波速度结果的可信度较低,在反演时最好能够加入先验信息。最后,基于面波在低速夹层模型中的频散特性,通过合理地设定初始模型,利用线性反演算法中的阻尼最小二乘算法可以快速有效地解决连续频散曲线(弱低速夹层或薄低速夹层)的面波频散曲线反演问题。当地下有强低速夹层或厚低速夹层存在时,利用非线性反演算法中的差分进化算法可以克服由于频散曲线间断带来的反演难题。