地震勘探方法通过处理地表获取的地震波场来反映地下介质的结构,因此提高采集地震数据品质成为获取高质量地下介质图像的关键环节。利用地震波响应分辨地下构造和物性的能力取决于地震数据的分辨率,当前,薄互层、岩性和复杂隐蔽油气藏等已经成为地震勘探开发的重点领域,常规的地震数据难以满足薄砂体等储层精细刻画的要求,宽频带地震数据采集还无法有效解决很多地震数据的高分辨率处理问题,因此需要对地震数据高分辨率处理技术进行持续的研究。实际地震数据在采集的过程中受到诸多非确定性因素的影响,且由于观测条件的有限性,实际地震数据尚无法用确定的时间（或空间）函数表示,其本质上为非平稳的随机过程,可以定义为非平稳地震数据,因此,开展针对非平稳地震数据特征的高分辨率处理技术系统研究具有重要的实际价值。在地震数据处理中,反Q滤波和反褶积是提高叠前和叠后地震数据纵向分辨率和拓宽频带的两种重要方法,对提高地震数据解释精度和薄储层识别能力等具有重要意义。针对以上方面,本论文对非平稳地震数据高分辨率处理关键技术开展系统的研究工作,针对不同的实际应用环境,提出了时频域时变Q值的估计方法、基于流式预测误差滤波器的高效自适应反褶积方法和基于时变Q非平稳褶积模型的盲稀疏脉冲反褶积方法。时频分析方法能够提供数据在时间域与频率域的联合分布信息,可以有效表征非平稳地震数据的时频分布特征,为Q值估计提供必要的计算域。本论文首先给出了九种现有时频分析方法的理论以及优缺点,包括线性、双线性和非线性时频分析方法。同时,在短时傅里叶变换和局部时频分解的基础上,引入流式计算框架,提出了一种基于流式算法的新型局部时频变换方法——流式局部时频变换（SLTFT）。该方法利用具有时变系数的傅里叶级数匹配目标信号,通过流式计算框架使时变傅里叶系数自适应更新,可以有效地表征非平稳地震数据的时频特征。相对于局部时频分解,该方法避免了迭代算法,有效节约了计算过程中的内存成本;相对于短时傅里叶变换,该方法参数选取灵活,可以自主选取频率采样间隔和频率范围,只保留有效的频率信息,节省了数据存储空间。通过对合成数据进行测试,分析和对比了这十种时频分析方法的时频分辨率和聚焦性。在实际数据处理中,不同的研究内容和目的往往需要选择不同的时频分析方法。本论文对时频分析方法的系统分析和总结能够为非平稳地震数据时频谱属性的表征提供理论基础,并且为后续的时频域品质因子Q估计提供技术支撑。反Q滤波方法通过补偿和校正地层的吸收衰减实现提高地震数据分辨率的功能,但反Q滤波的补偿效果很大程度上依赖于Q值的求取精度,因此本论文对Q值的估计方法开展深入研究。首先介绍了三种常用的频率域或时频域Q值估计方法。为了避免目标层顶底界面瞬时频谱的拾取,本论文提出了一种新的时频域时变Q值估计方法——局部质心频率移动法（LCFS）。该方法在时频域利用整形正则化条件约束反演问题来定义局部质心频率,将局部质心频率和质心频率移动法（CFS）相结合估计时变Q值。与传统的Q值估计方法相比,局部质心频率移动法不需要拾取目标层的顶底界面,且在缺失有效频谱信息的时刻也能得到相对合理的Q值。利用获得的时变Q值进行反Q滤波处理可以有效地提高非平稳地震数据的纵向分辨率,为高分辨率自动化处理提供可行方案。反褶积主要通过压缩地震子波提高地震数据的纵向分辨率,对解决很多特殊场景下的地震数据（如可控震源数据）高分辨率处理问题具有重要意义。预测误差滤波器广泛应用于地震反褶积,为了适应地震数据的非平稳性,可以使用迭代或递归方法计算非平稳预测误差滤波器的系数,但是往往导致计算速度慢、内存成本高等问题。本论文提出一种基于流式预测误差滤波器的自适应反褶积方法,通过解析计算正则化条件下的数学欠定问题,自适应预测时变的地震数据,实现动态压缩子波的功能,有效提高地震数据纵向分辨率。为了避免高分辨率反褶积结果在空间方向的不连续,在时间和空间方向同时对目标函数添加约束条件,实现多道自适应反褶积功能。同时,引入时变预测步长参数可以使反褶积结果与原始数据的相对振幅关系更加接近,提供相对保幅的高分辨率处理结果,为真振幅高分辨率处理提供了技术思路。根据流式算法的解析计算特征,提出的方法避免了迭代算法的低效计算问题,既能表征地震数据的非平稳特性,又有效提高计算速度和节省内存成本,尤其适用于大规模宽方位和高密度采集数据的高分辨率处理任务。常规反褶积方法在提高地震数据分辨率上具有一定的局限性,只能在有限频带范围内压缩地震子波,且大多需要假设地震子波为最小相位和反射系数为白噪序列,为了避免这两种假设条件并实现宽频带的地震剖面,稀疏约束往往被用于解决反射系数反演问题。传统的稀疏脉冲反褶积假设地震子波在传播过程中保持平稳不变,但是这种假设条件与实际情况不符。地震子波在传播过程中受地层的吸收衰减等影响,振幅、相位和频率等都会发生变化,因此传统的稀疏脉冲反褶积在处理实际非平稳地震数据时,会导致估计的反射系数不准确,影响后续的储层预测和构造解释等。针对这个问题,将能够表征吸收衰减特性的品质因子Q引入褶积模型,实现基于非平稳褶积模型的盲稀疏脉冲反褶积,该方法利用交替迭代优化的方法同时估计震源子波和反射系数。本论文在基于粘弹性衰减的非平稳盲稀疏脉冲反褶积（TSMF-Q）框架下扩展时变Q非平稳盲稀疏脉冲反褶积方法研究,实现的反褶积方法与以往TSMF-Q方法有两点不同,一是利用提出的LCFS方法进行时变Q值估计,二是在非平稳褶积模型中引入时变Q值衰减函数。理论数据和实际地震资料的处理结果表明,相较于传统盲稀疏脉冲反褶积,本论文方法减小了地震子波时变性造成的误差,能够获得更加准确的反褶积结果,实现更加完善的非平稳地震数据高分辨率处理环节。