随着油气勘探复杂程度的加深，叠前全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)方法作为一种能够客观反应地震波传播规律、适用于任意地质模型的方法越来越受到人们的重视，但由于其巨大的计算和存储代价，一直未能投入实际应用，近年来，随着计算机水平的发展，全波形反演已成为地球物理学者们研究的热点问题。本论文针对叠前FWI存在的问题展开了一系列研究，深入分析了FWI理论，建立了一套比较完整的反演系统。所做工作和取得成果主要包括：1.根据扰动理论，详细推导了声波近似下的介质参数FWI基本公式，给出了共轭梯度法FWI的基本流程；2.推导了剩余波场的带完全匹配层(Perfectly Matched Layer, PML)吸收边界的交错网格高阶有限差分逆时外推公式，同时给出了剩余波场逆时外推时的PML构造和外推的基本流程；3.推导了本文给定目标函数下的迭代步长线性估计法计算公式；4.针对直达波的消除，分析了FWI与常规偏移成像中直达波消除的不同，给出了全波场记录中直达波消除的方案；5.针对层间噪声的压制，从地震波传播的角度分析了噪声产生的原因，提出了利用边缘保持平滑(Edge Preserving Smoothing, EPS)滤波器压制层间干扰的方案；6.针对模型参数数量级差异太大，不能同时得到有效更新的问题，提出了对数型归一化方案，并推导了归一化之后的模型对偶扰动量计算公式；7.针对传统的迭代步长计算量太大的问题，采用了Shi提出的参考模型非线性控制(Model Reference Nonlinear Control, MRNC)反演过程控制方法计算迭代步长，并对原始计算公式进行了适当变换，避开了Jacobian矩阵的计算，同时减少了计算量和存储量，使得反演能在较少的迭代次数内达到比较理想的结果；8.构建了FWI相关软件模块，实现了算法核心代码，并对几种典型的地质模型进行了实验仿真，取得了较好的效果。