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随着油气勘探的不断深入，复杂地质构造地区的成像问题愈发重要，需要不断发展高精度的成像方法。近年来，基于波动方程的叠前深度偏移技术作为地震资料处理中的高精度成像方法得到了深入研究和广泛应用，但仍然存在一些问题。首先，基于波动方程的成像方法需要高精度的偏移速度模型来正确成像，但如何有效建立地下高精度速度模型一直是学术界和工业界的难点问题，需要不断研究Hessian矩阵的近似方法，尽可能减少波形振幅对波动方程走时反演的影响，提高波动方程全波形反演的计算效率;其次，在对复杂构造成像时，常规偏移方法只考虑利用一次波成像，但是地震数据中的多次波同样包含地下介质信息，也应当加以利用来提高成像质量。本论文针对上述问题，对波动方程旅行时反演、波形反演、多次波偏移及去除偏移噪音等方面进行了研究，取得了以下成果: 1.本文介绍了波动方程旅行时反演方法，通过对比不同反演优化算法对反演结果的影响，认为有限存储的BFGS（Limited-memory BFGS，简称L-BFGS）算法可以更好地近似Hessian矩阵，基于L-BFGS的波动方程旅行时反演方法，可以有效提高计算效率与反演精度。通过对旅行时差的分析，发现基于波形互相关获得的旅行时差受振幅影响较大，且随数据主频变化而不断改变。由此提出了频率依赖波动方程旅行时反演方法，该方法可以有效减少振幅对旅行时反演的影响，减少局部极值并提高反演精度，为后续的波形反演提供高质量的初始模型。 2.本文介绍了时间域的波形反演方法，提出了一种Hessian矩阵的时间域近似方法，采用该方法对梯度进行预处理，可以提高波形反演的收敛速度。陆上实际资料算例验证了该方法的有效性。 3.本文提出了基于数据自相关的多次波偏移方法，该方法不需要预测多次波，也不需要预测地震子波就可以得到较高精度的成像剖面，但结果中存在偏移噪音。在数值实现上，本文分别采用了单程波傅里叶有限差分偏移算子和双程波逆时偏移算子。针对偏移噪音问题，对基于单程波算子的数据自相关多次波偏移，提出了三种去除方法:1）采用宽方位角采集数据，进行三维多次波偏移，可以去除偏移噪音;2）在数据域内利用最小二乘迭代过程去除偏移噪音;3）在成像域内对角度域共成像点道集采用高精度Radon变换去除偏移噪音。还提出对基于双程波算子的数据自相关多次波逆时偏移，利用波场分离成像条件可以部分去除偏移噪音。本文采用海上实际资料验证了数据自相关偏移与偏移噪音去除方法的有效性。 4.本文发现采用多次波偏移方法可以快速高精度地计算全波形反演的梯度，由此提出了多次波全波形反演方法，该方法使用少量数据就可以获得高精度速度模型。