油气地震勘探的目的就是寻找国家需要的重要战略资源石油和天然气,目前国内地表相对简单地区的地震勘探程度已经很高,复杂地表区逐渐成为了油气资源的的战略接替区。复杂地表指的是地表起伏大、地震波传播速度明显低于下伏地层、岩性复杂多变的地壳的极浅表层,常见的有复杂山地、沙漠戈壁、雅丹地貌、巨厚黄土塬、滩涂水网等。复杂地表给地震勘探野外采集工作带来了极大困难,地震资料也受到了严重影响,主要表现为地震波能量衰减严重,子波频带变窄,分辨率降低,地震波场采集不充分、不均匀、不对称、连续性差,使得地震波的成像精度较低。目前,国内在复杂地表区的表层结构调查与静校正、地震波对地质目标的照明、观测系统优化设计、“采集脚印”压制等方面开展了多年攻关,取得了良好效果;也从激发和接收方面对地震波频带的拓展进行了攻关,但效果不明显;对于不均匀、不充分采集数据的地震波场恢复的研究则进展缓慢,因此,复杂地表区的地震波频带的拓展、地震波分辨率的进一步提高、波场高精度恢复和成像是需要进一步解决的问题。本文针对复杂地表造成的地震子波频带窄、旁瓣多、分辨率低和成像及反演精度低的问题,研究了频带宽度、振幅谱形态与子波分辨率之间的变化规律,指出了最高频率、频带宽度和振幅谱形态对子波分辨率的决定性作用;研究了子波频带宽度和频率成分对地震波反射系数和波阻抗反演精度的影响,以及子波频带宽度对反褶积过程中压制随机噪声的影响,着重指出了3 Hz以下低频成分和频带宽度在波阻抗反演中的重要性和频带宽度对反射系数反演和对反褶积过程中随机噪声压制作用的影响,并通过Marmousi模型对地震波反演进行了验证。为了提高地震波分辨率和成像精度,本文系统研究了具有频带宽、成像分辨率高、响应介质变化灵敏度高和信号保真度好的加速度地震信号采集理论,推导了加速度地震信号的波动方程和加速度信号交错网格有限差分方程,对比了速度与加速度信号在信号与介质物性变化关系、信号的几何与波动特征、信号频谱、信号噪声、信噪比、分辨率等方面的差异,并采用Hession和Marmousi两个地质模型,模拟了信号对浅部薄层、中、深部薄互层、楔形体、逆掩推覆体、背斜构造、不整合面、油水分界面、顶超、尖灭等地质现象的成像精度,验证了理论分析的正确性。为了更好地接收加速度信号,研发了高灵敏度陆用压电加速度检波器和激光型光纤加速度检波器,并在二维加速度地震信号采集试验和三维加速度地震信号采集应用中见到了良好效果。加速度信号的试验与应用结果显示加速度信号有效提高了地质目标的成像精度。为了提高波场恢复精度,本文探索性地研究了压缩感知稀疏地震采集方法的发展历程、基本原理、观测系统设计、稀疏地震数据波场重构和处理技术,还以中石化在新疆TFT地区进行的国内第一块压缩感知稀疏三维地震采集与波场重建试验为例,分析了压缩感知地震采集方法的应用效果,为后续稀疏地震数据采集技术的深入研究奠定了基础。本文通过研究,主要取得了以下三项成果:（1）总结出了地震波激发的优化原则:提高地震波最大频率是拓宽地震波频带的前提,低频拓展到3 Hz以下激发对波阻抗反演至关重要。在地震波频带较窄时（最高频率在70 Hz左右或低于70 Hz）,应采用拓展低频的方法激发地震波,压制子波旁瓣;当地震波频带相对较宽时（最高频率大于70 Hz）,应以提高最高频频率的方法激发地震波,提高地震波分辨率;激发的地震波振幅谱要有较缓的过渡带（主要是可控震源参考信号的设计）,振幅谱的形态应是对称或向低频方向倾斜的。进而结合国内地震采集激发技术发展现状和已形成的成熟技术,总结形成了基于近地表多参数模型的炸药震源宽频激发方法和可控震源非线性宽频激发方法,拓宽了复杂地表区地震资料的频带。（2）研究总结了加速度地震信号采集理论,理论认为加速度信号的畸变小,保真度高,高频强,频带宽,响应杨氏弹性模量、剪切模量和密度变化的灵敏度比速度信号高,加速度信号可有效提高复杂地表区的地震勘探精度。研发了高灵敏度陆用压电加速度检波器和激光型光纤加速度检波器,检波器性能指标达到国外同类产品水平。加速度信号和新型加速度检波器的二维地震采集试验和三维地震采集应用效果显示,加速度信号显著提高了地震波的成像精度,赢得了业界广泛认可和好评。根据研究成果撰写的一篇文章发表在Applied Geophysics期刊（SCI）,两篇论文分别在2019年美国圣安东尼奥第89届SEG年会和2015年湖北宜昌中国石油学会物探技术研讨会上发布,获得了三项国家发明专利和两项实用新型专利。（3）本文对压缩感知稀疏地震采集理论的研究和对中石化在新疆TFT地区的三维地震稀疏采集与重建试验分析的结果认为,贪心序贯策略下随机稀疏观测系统设计方法和基于l0和l1范数联合迭代的波场重构技术有效促进了复杂地表区地震资料信噪比和分辨率的提高,压缩感知稀疏地震采集技术、无线遥测节点采集技术、5G技术、卫星遥感实时定位技术的相互融合将是未来复杂地表区高精度地震采集技术的发展方向。