目前,油气勘探面对的地质目标复杂程度高,迫切需要三维地质体特征刻画和储层物性参数描述技术,这些技术能否发挥作用,关键在于地下介质的成像精度能否达到要求。基于双程波动方程的逆时偏移方法被认为是目前最为精确的成像方法之一,但其成像结果仅能刻画构造形态,无法表征储层物理性质。在逆时偏移能够对复杂构造精确成像的基础上,最小二乘逆时偏移方法引入反演思想,实现了对地下介质速度扰动等参数的定量描述,具有揭示复杂构造形态及储层物性的潜力。因此,开展针对最小二乘逆时偏移算法的相关研究具有重要意义。本文主要针对最小二乘逆时偏移中涉及到的波场模拟、逆时偏移成像及成像条件开展研究,取得的主要研究进展如下:（1）采用矩阵求解方法推导了三维一步法波场模拟方法,借助Chebyshev多项式和Jacobi-Anger展开式近似三维声波波动方程解析解,进而进行声波波场模拟,该方法的参数选取宽容度高并且无频散假象干扰,稳定性强;（2）利用多GPU计算技术实现三维一步法波场模拟方法和逆时偏移方法,降低了大尺度数据对单个GPU设备的显存需求;（3）针对逆时偏移过程中产生的低频噪音,从互相关成像条件原理入手,分析低频噪音产生原因,应用希尔伯特变换方法将波场分离为上下行波、左右行波、前后行波,形成了基于多方位行波分离的逆时偏移成像方法,在很大程度上压制了低频噪声,提高了成像精度;（4）将以上方法应用至最小二乘逆时偏移算法流程中,改善了最小二乘逆时偏移方法的稳定性和计算精度;（5）采用多种三维速度模型进行了地震波场数值模拟测试、逆时偏移测试和最小二乘逆时偏移测试。结果表明,本文方法可实现大时间步长条件下的稳定波场模拟,且能够顺利应用于逆时偏移方法和最小二乘逆时偏移方法,成像结果真实可靠,能够有效压制低频噪声,也验证了本文方法移植至高性能计算集群的可行性,具有较大的工业应用潜力。