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全波形反演（FWI）是一种高分辨率地震反演方法,其核心思想是通过反传残差波场来不断更新初始模型,实现观测记录和模拟记录的最优匹配,因此需要提供较高质量的初始模型。而初至波走时层析成像长期以来一直被用于地震反演中,虽然其对精细构造成像的精度比较低,但是具有较高的计算效率和收敛速度,所以将其成像结果用于全波形反演,可以很好地解决全波形反演对初始模型的依赖性和初至波成像精度较低的问题。因此本文的研究内容主要分为两个部分。第一部分是走时层析成像:本文从正演开始,基于快速扫描法（FSM）求取了2D和3D空间的初至波和反射波走时,对于震源附近矩形网格和波前面拟合较差的问题,利用震源细化的方法来对比优化。在计算出走时场后,利用走时梯度最快下降方向进行射线追踪,通过射线路径和波前面的位置关系也证明了所求取走时场的准确性。在反演部分,反演优化方法采用最速下降法,同时利用基于FSM算法的伴随状态法来求取目标函数的梯度,并给出不同复杂程度的模型进行模拟试验,结果说明FSM算法走时层析成像的高效稳定性。第二部分是全波形反演:首先正演部分推导了声波方程的高阶差分格式,并分析了离散过程的稳定性条件和频散现象,给出了PML吸收边界内的差分公式。在反演部分,使用L-BFGS方法来计算hessian矩阵,搜索步长采用回溯法求取,并且引入多尺度反演策略来提高反演的计算效率和稳定性,最后将走时反演结果作为初始模型进行试算,可以较好地反演出模型的整体结构和速度变化。本文的研究成果主要有:（1）实现了FSM算法求取2D和3D空间初至波和反射波走时场,并在2D空间追踪了这两种波的射线路径;（2）实现了基于FSM算法的伴随状态法走时反演;（3）实现了声波时间域多尺度全波形反演,并利用走时成像结果进行试算,结果较好。