地震数据采集是整个物探工程中最重要的环节，高质量的野外资料决定了室内处理及后期解释的优劣，其中针对工区地质目标进行合理观测系统设计是重中之重。近年来，国内勘探任务逐步向我国中西部发展，对于西部复杂勘探区域，观测系统优化十分重要，常规观测系统设计方法不能获得理想效果，设计方法需要改革创新。论文基于地下地质目标，根据照明分析理论，依据模拟结果对观测系统采集参数进行分析验证，以指导观测系统的优化设计，最终得到高质量的地震数据及成像效果。传统的观测系统设计是基于水平叠加理论，而这一理论是建立在水平层状均匀介质的假设条件上。然而随着国内勘探工作重点从东部平原地区逐渐转移到西部山区地带，传统观测系统设计方法已不再适用于复杂地质结构。论文首先基于射线理论，应用逐段迭代法来计算射线路径，该方法是依据费马原理，对任意界面来计算射线中间点，多次迭代直至满足精度。针对理论地质模型，根据具体观测系统进行模拟，计算每一炮激发的射线路径，并对反射点分布进行分析研究，发现射线追踪方法在复杂地质构造下并不适用，会产生大量射线偏折、畸变。为此，在复杂地区的勘探中，研究采用波动方程照明分析方法，以实现针对复杂区地质目标的观测系统的优化设计。首先从基本地质模型出发，对地震波特性进行研究，并求解波动方程。依据惠更斯－菲涅尔原理近似描述波动方程的克希霍夫积分解，得到震源对空间任一点的波场作用表达式。在此基础上，分解震源激发产生的向下波场和检波点接收到的地下目标层反射波场，推导得到双向照明计算公式。通过对理论地质模型进行照明分析，可以得到目的层界面上的波场能量分布情况，以分析观测系统的合理性。研究形成基于地质目标的观测系统优化设计流程。论文采用观测系统优化设计流程，对西部准东某工区的二维模型进行基于波动方程的照明分析，根据照明结果分析目的层能量情况以实现观测系统优化，采用优化的观测系统进行实际资料采集，获得高质量的第一手资料，从处理剖面看，目的层清晰成像，达到理想效果。论文还用观测系统优化设计流程对西部某工区三维采集进行观测系统优化，首先采用波动方程照明分析得到优化后的观测系统，为了进一步检验三维观测系统的合理性，还采用射线追踪方法对该工区进行三维射线追踪照明分析，分析不同目的层的CRP覆盖次数等是否合理，以最终确定针对地质目标的三维观测系统用于生产。通过实际三维采集获得资料来看，资料品质好，各目的层信息丰富。