随着常规油气藏的勘探殆尽,近年来勘探目标转向复杂油气藏。复杂介质中波场传播混乱,各种波场相互干扰混叠,在地震记录上几乎没有任何规律,因此关于复杂介质的反演成像,诸如叠加速度分析、偏移速度分析和层析速度反演方法就显得捉襟见肘。全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)是上个世纪提出的一种高精度建模技术,近年来随着高性能计算的兴起,FWI在地球物理界开始崭露头角,受到了越来越多的业界人士关注。尽管波形反演具有完美的数学理论和高精度建模能力,但在实际应用中仍面临诸多问题,本文就波形反演中多尺度反演策略和高性能计算展开详细讨论。一个高精度正演结果是波形反演成功的必要条件,本文首先对声波的一阶应力——速度方程的差分算法进行讨论,得到了具有较高精度的正演结果。伴随状态法是目前求波形反演梯度的最有效的方法,其关键在于求出波动方程算子的伴随算子,本文对一阶应力——速度方程算子进行适当处理,求出其伪保守形式的方程,保证了状态方程和伴随方程在形式上的统一。多尺度反演是减弱波形反演非线性的一种强有力策略,本文在前人的研究基础上结合观测系统讨论了多尺度反演频率选择策略,并发现在模型两端处由于波数照明不足,因此反演结果不可靠。计算能力不足是上世纪制约波形反演发展的一个重要因素,本文根据波形反演多炮计算无相互依赖的并行性,在现有的多节点多GPU计算集群上设计了一套针对波形反演的并行策略,提高了反演的计算效率。