随着油气勘探开发的不断深入，油气藏的精细描述发展成为地震勘探的重要目标，对地震采集、处理和解释提出了更高的要求。利用接收到的地震数据获取地下介质中的构造成像和参数分布是地震处理中的关键问题。全波形反演是数据域反演中的典型问题，基于正演数据与观测数据之间最优匹配的准则，试图重建地下介质参数的全波数信息。随着高性能计算机技术的发展，全波形反演发展成为地震勘探中的研究热点，并已初步应用到实际数据中，但是对实际数据的要求较高。由于地震数据低频缺失、初始模型不准确和子波未知等因素的影响，使得具有强非线性的全波形反演在实际应用中难以收敛到合理的反演结果。
　　从全波形反演的理论框架（第二章）出发，首先针对低频缺失情况下，全波形反演容易出现周波跳跃问题，通过对缺失低频的数据进行非线性变换能够重构低频信息，利用重构的低频信息进行匹配，能够降低目标函数的非线性，改善对初始模型的容差能力。论文的第三章首先介绍了包络波形反演，然后提出了基于非线性平滑波场的波形反演，并基于归一化互相关函数建立目标函数，推导对应的梯度公式。为了避免高频干扰对反演稳定性的影响，需要对梯度进行适当平滑。结合多尺度反演的思路，通过调节非线性平滑波场中低通滤波器的平滑宽度，保证反演的稳定收敛。最后通过一系列的数值测试，验证了在低频缺失情况下，基于非线性平滑波场的波形反演能够有效收敛。
　　大部分全波形反演应用成功的实际数据中，包含丰富的初至波和潜行波等信息，但是当观测孔径较小（小偏移距）时，利用初至波反演的区域将局限在近地表位置，无法刻画位于深层的目标区域。反射波波形反演将数据残差沿着反射波路径反投影获得参数更新量，能够估计深层区域的参数分布。第四章介绍了声波介质的反射波波形反演，基于旅行时信息的反射波波形反演不需要通过真振幅偏移进行扰动成像，仅需要通过偏移/反偏移的过程来提供反射波信息，因此计算效率较高。该方法的难点在于旅行时差拾取，较难拾取复杂波场中的走时信息，反演精度相对较低。基于最优化成像的反射波波形反演同时考虑了透射波和反射波对背景模型的贡献，但是由于需要通过最优化成像来反演扰动模型，计算效率较低，但是可以通过引入近似Hessian矩阵降低计算成本。通过对复杂模型的测试，该方法具有较高的反演精度。
　　为了更接近实际地下介质情况，第五章提出了弹性介质变密度反射波波形反演，对背景和扰动模型都采用速度的参数化方式。在扰动成像时，需要利用近偏移距数据同时更新速度和密度扰动，该过程类似于弹性介质最小二乘偏移。背景速度不准确时，远偏移距数据的运动学信息不匹配，将该数据残差沿着反射波路径反投影来更新背景速度。通过对背景模型和扰动模型交替反演的方式，实现该最优化问题。通过数值测试验证了，缺失低频和变密度情况下，能够为弹性波全波形反演提供合理的背景速度模型。
　　最后，论文第五章，从模型尺度分解出发，发展了多级优化反演策略，在前面三章内容的基础上，总结提炼了“三步法”的实现流程，具有重要的实用化参考价值。