在复杂的地震探勘区域,地下介质富含小尺度的非均质体,像发育孔缝结构的碳酸岩储层、河道砂体储层以及冻土区可燃冰储层。这些小尺度非均质体基本上是随机分布的且尺度较小,因此,传统的地震成像技术无法分辨这些非均质体。地震波在这类随机非均匀介质中传播时会发生多次散射,产生地震尾波(Coda波)。由于Coda波相位是随机的,在传统的地震勘探中一般将Coda波视为噪声予以消除或者被忽略掉。但是,大量的研究表明,地震散射波的能量(包络)与随机介质的统计属性密切相关。因此,可以利用散射波包络的变化,来反演随机介质的属性参数,例如非均质体的特征长度(表征非均质体大小)和扰动强度(表征非均质体速度/速度变化程度)。该研究工作非常必要且有意义,因为只有获知地下非均匀介质的属性参数,才能更好的了解和描述地下非均匀介质,才能准确的评估非均质储层的油气含量。本论文主要针对随机非均匀介质地震散射波能量建模,以及随机非均匀介质统计参数反演两个方面,开展了研究工作。首先,介绍了小尺度非均匀介质建模理论-随机介质模型,并讨论了地学中常用的高斯型、指数型以及von Karman型随机模型的特点。然后,研究了随机介质中的地震散射波能量建模方法-辐射传输理论,给出了声波辐射传输方程,介绍了求解辐射传输方程的蒙特卡洛模拟方法。为了使该建模方法更加实用,研究推导了多层模型对应的边界条件,并给出了蒙特卡洛模拟的解决方案。接下来,为了检验声波辐射传输蒙特卡洛方法的正确性,设计了若干随机模型,将声波辐射传输蒙特卡洛模拟的结果与声波方程有限差分模拟的结果进行对比,结果表明:辐射传输蒙特卡洛模拟的结果与有限差分模拟的结果吻合比较好,而且,相比于声波方程有限差分数值模拟,辐射传输蒙特卡洛模拟的计算成本远小于有限差分数值模拟。因此,辐射传输蒙特卡洛模拟是一种有效的随机质地震散射波能量建模方法。最后,探索利用随机介质地震散射波数据来获取随机介质统计参数-特征长度和扰动强度。本文基于辐射传输蒙特卡洛数值模拟采用网格扫描的方法来反演随机介质统计参数。通过井间地震数值模拟实验探索和研究了该方法,为了综合考虑直达波和Coda波的能量在反演过程中的贡献,对已有的目标方程进行了修正,修正后的目标方程使反演结果更加收敛于准确值。随后,通过物理模型实验采集到随机非均匀介质透射波的数据,根据采集到的地震数据估算了该随机介质的相关长度和扰动强度。反演结果和模型的真实值吻合的很好,表明基于辐射传输蒙特卡数值模拟的随机介质统计参数反演是可行的且有效的。