本文提出了一套叠前地震数据稀疏表达(特征波场合成)、深度偏移成像和层析成像的处理流程.不同于传统的变换域中的数据稀疏表达理论,本文利用局部平面波的传播方向(慢度矢量),在中心炮检点处同时进行波束合成,从而将地震数据投影到局部平面波域(高维空间)中.由于波束合成后的地震数据描述了局部平面波的方向特征,因此称之为特征波场.然而波束合成算法需要估计局部平面波的慢度矢量.当地震数据受噪声干扰时,难以在常规τ-p谱中自动估计局部平面波的射线参数(慢度矢量).本文提出了基于反演理论的特征波场合成方法,可以同时反演局部平面波及其传播方向,从而提高特征波合成的自动化程度并保持方法的稳健性.通过特征波场合成,可以将地震数据分解为单独的震相(波形).这样的数据可以直接用来成像及反演.在局部平面波域中,由于局部平面波的入射与出射射线参数已知,传统的Kirchhoff叠前深度偏移(PSDM)和高斯束/控制束PSDM可以实现从"沿等时面的画弧"到"向反射点(段)的直接投影"的转变,叠前偏移的效率以及成像质量可以同时提高.此外,特征波场与地下反射点(段)的一对一映射关系使得叠前深度偏移与层析成像融为一体,可以极大地提高速度反演的效率.数值试验证明了特征波场合成、叠前深度成像以及层析反演的有效性.