现如今随着地震勘探和计算能力的发展,勘探的目标区域逐步向着更深和更加复杂的区域发展。速度建模与成像作为整体地震资料处理的关键流程,两者息息相关,高精度准确的偏移成像依赖于高精度的速度建模。地震波全波形反演作为当前精度最高的速度建模方法,通过最小化观测数据与模拟数据之间的残差,依赖局部优化算法对地下的速度结构进行反演恢复。但由于初始速度模型较差而引起的周波跳跃问题会使得全波形反演在早期迭代陷入局部最小值,使得实际应用比较困难。本文针对全波形反演周波跳跃问题,从多尺度方法出发,介绍了发展于时移成像条件的时移多尺度方法。不同于传统方法直接对数据进行尺度划分,时移方法通过对时移梯度进行加权叠加提取梯度当中的低波数分量用于背景速度模型的构建,整体方法流程更为自然。但是,针对时移方法梯度计算效率较低的问题,也介绍了改进的高效率解决方案,能够在保证低波数分量提取的同时极大地提高方法的效率。多组数值测试也证明该方法的可靠性。针对时移方法很难处理数据中缺失低频的问题,我们介绍了两种方法。一是基于稀疏反演地下反射系数用于低频数据重构,并结合时移多尺度方法,提出了新的应对低频缺失问题的全波形反演流程。二是基于滑动时窗减采样方法的低频数据恢复,通过时窗内的最优采样点选择连接起低频数据与高频数据,最后再通过选取的多个最优采样点的再插值与数据处理构建低频数据。相关章节的多个算例也说明了第一种方法对于重建低频的可靠性,与将其用于全波形反演的有效性。第二种方法对于浅中部背景模型恢复较好,但由于重构数据中存在一些幅值和相位的误差,对于深部模型的约束较差。本文最后还针对叠前数据逆时偏移成像的计算效率较低的问题,我们介绍了同步震源的方法,通过将多组震源编码为同步震源以减少逆时偏移成像的炮数。但是由于同步震源放方法中会对来自不同炮检对之间的波场进行互相关,会在成像结果当中引入串扰噪声。针对这个问题,我们介绍了超级虚拟炮震源编码方法。通过结合相位编码和振幅编码将地表多个震源同时激发的波场重构为悬浮于地表上方一个超级虚拟炮的点源波场,以此来压制串扰噪声。我们通过详细理论推导了该方法的编码函数与方法应用的参数选择。基于三个数值实验,说明了该方法可靠性、误差引入和高效率等。