地震波场正演是进行地震反演和地球物理层析成像的基础。因此,对于反演问题来说,作为其第一步的正演问题就显得格外重要。如果没有一个有效的正演方法,就很难保证最后能够得到满意的反演结果。为了解决反演问题,往往要首先解决正演问题。射线追踪方法作为一种快速有效的波场近似计算方法,能够有效的认识和研究地质结构。其理论基础是,在高频近似条件下,地震波场的主能量沿射线轨迹传播。射线追踪方法不仅对于地震波理论研究及地震波传播问题具有重要意义,而且也广泛应用于地震定位、地震波反演及偏移成像等过程,因而越来越受到地球物理工作者的关注和重视。射线追踪方法主要包括基于波动理论正演方法和基于射线理论正演方法两大类。其中,基于波动理论正演方法主要揭示地震波的动力学特征,而基于射线理论正演方法主要揭示地震波的运动学特征。运动学射线追踪是动力学射线追踪的基础。相对于基于波动理论正演方法,基于射线理论正演方法模拟的波场虽然不够完整和精确,但优点是效率比较高,可在一般机器上实现,所得波场可人为控制,易于识别和解释。射线理论在很多方面都有应用,合成地震记录只是其中的一个方面。在模型正演研究方面,射线理论和射线方法是研究地震波传播问题的一个重要途径。传统的射线追踪方法包括初值问题的试射法和边值问题的弯曲法。本文采用的试射方法对传统的试射方法做了相应改进,提出了基于波场上传试射三维射线追踪方法。传统的试射方法主要是从炮点进行试射,难以解决每一个炮检对存在多条射线的问题,并且每一次观测系统变化都需要进行试射和迭代的完整流程,导致计算效率较慢。本文提出的基于波场上传试射的三维射线追踪方法,其基本思想是通过目标层控制点进行波场上传试射。从原理上解决了每一个炮检对存在多条射线的问题。同时,只要模型不变化,则试射结果一直有效；只要观测系统的炮位置不变化,则炮点到目标层控制点计算结果一直有效。本文改进了反射线和透射线方向的计算方法,推导出了基于反射定理和折射定理的反射线和透射线方向计算公式,即三维起伏界面射线方向简化算法,解决了计算反射线和透射线方向需要求解多元线性方程组,计算量大,精度低,不利于快速射线追踪实现的问题。本文提出了三角形内任意点法向量的计算方法,解决了传统的做法在起伏地表的射线追踪计算中效果不是很好的问题。对于如何快速地计算出与相交三角形面的交点以及快速地判断所求交点是否是射线与三角形面的真正交点的问题,本文提出了计算空间射线与界面交点的方法,并引入层面子区域化算法进行求交判断,快速排除大量无交点的三角形,提高射线追踪的速度。本文的方法可以找到更多的有效射线,且精确性高,能够提高CRP统计数据的准确度,并且在实际应用中计算效率也有显著提高,其效率与绿山商业软件相当。适于复杂地质构造三维射线追踪的工程应用。该方法很好的解决了传统射线追踪方法没有解决的问题。