传统地震资料处理流程通常包括:通过走时、波形层析等方法进行速度建模,为后续处理提供准确的速度场;在已知背景速度场的基础上进行偏移成像,并准确描述地下主要层位。全波形反演在理论上能充分利用地震数据中所含有的振幅、相位、走时、波形等有效信息,在不同数据和模型域,不同介质都得到长足发展。然而,常规的全波形反演方法缺少对地下中长波长组分的反演能力,因此要求初始速度场能够提供较为准确的速度场中长波长信息。近年来兴起的反射波全波形反演在速度场中长波长组分恢复方面发挥了越来越重要的作用。反射波波形反演(RFWI)通过交替更新模型的中低波数和高波数成分,为传统的全波形反演(FWI)提供较为准确的初始速度场。但是由于低频信息的缺失和振幅信息的复杂性,传统的反射波波形反演存在极强的非线性。将振幅与相位信息的分离能够有效提高RFWI的线性程度,然而传统的相位计算方法具有严重的相位跳变(wrapping)问题。基于此,本文首先给出一种拟相位信息的计算方法,利用地震数据的包络信息,以避免传统相位信息的跳变问题。然后利用拟相位信息构建反射波波形反演的目标泛函,并给出相应的伴随震源和梯度表达式。理论分析证明了拟相位信息的计算方法能够保证相位信息的稳定和准确性,并且基于拟相位信息的目标泛函具有更广的全局收敛域。为了能够有效降低反射波全波形反演的非线性问题,基于地震信息子集反演的思想,可通过拾取地震数据中的旅行时信息建立初始模型。基于波动方程的旅行时反演方法通过互相关法拾取旅行时信息,是一类综合波动方程方程反演与射线反演优势的方法。波动方程反射波旅行时反演通过动态时差校正方法突出地震数据中的旅行时信息,具有较强的长波长构造反演能力。然而模拟数据与观测数据振幅、波形相差较大时,DIW拾取的旅行时差精度较低,易导致目标泛函收敛失败。为此,本文通过修改目标泛函提出了一种基于双差的波动方程反射波旅行时反演方法,并对传统的DIW方法进行正则化约束以提高对时差估计的稳定性。本文在详细讨论传统全波形反演在数据低频信息缺失、初始模型不准确、偏移距有限等情况的局限性的基础上,通过核函数的对比在理论上证明了反射波波形反演的优势。与此同时,针对反射波波形反演存在的非线性问题,分别通过修改目标泛函和利用走时信息对常规反射波波形反演进行了方法优化。最后,通过模型试算和讨论,验证了本文方法的有效性,并对今后的研究内容进行了展望。