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随着油气勘探开发工作的不断发展,对地震数据的处理精度尤其是偏移成像精度有了越来越高的要求。传统偏移成像方法基于地下各向同性完全弹性假设条件,在沉积地层或者裂隙发育的各向异性区域会导致地震波走时出现偏差,不能准确模拟地震波在地下的传播情况。在偏移剖面上表现为反射波不能完全归位,绕射波不收敛,成像分辨率和信噪比降低。偏移成像方法根据不同的理论可以分为两类:分别是射线类偏移成像算法和波动方程类偏移成像算法。射线类偏移算法以Kirchhoff积分法偏移、高斯束偏移、聚焦束偏移和控制束偏移等方法为代表,具有计算效率高的优势。但当波场在强复杂介质中传播时该类算法的成像精度有限。波动方程偏移方法又分为能够模拟全波波场在地下传播规律的双程波偏移,即逆时偏移RTM(Reverse Time Migration)和模拟波场延单边方向传播规律的单程波偏移,以裂步傅里叶偏移SSF、傅里叶有限差分偏移FFD和广义屏偏移GSP等为代表。双程波方法虽然计算精度较高,但是高昂的内存和计算耗时是目前制约其实用化推广的关键。单程波算法综合了高效率和高精度两方面的优势,具有较大的实用化推广潜力。基于此,本文以VTI介质的弹性波波动方程为基础,通过声学近似假设条件推导出准P波(qP:quasi-P)波对应的频散关系方程。借鉴各向同性高阶FFD(Fourier finite-difference)延拓算子的推导思路,推导出适用于VTI介质的高阶单程波FFD双域延拓算子。算子可以分成三部分:f-k域的相移项、f-x域的时移项和有限差分补偿项。借助快速傅里叶变换相移项和时移项在波数域和空间域的实现交替计算,高角度传播波场通过有限差分补偿项在空间域进行校正以适用于介质参数的强横向变化,对高陡构造进行准确成像。差分补偿算子在形式上可以借助有理分式形式进行近似,高角度波场的模拟精度随着参与运算的近似分式的项的增加而加强,当然计算量也会随之增加。随后为了验证VTI介质高阶FFD延拓算子对强横向变速介质的适用性,本文进行了不同算子的误差分析和脉冲响应测试。并通过SEG/EAGE岩丘模型叠前深度偏移成像测试来测试算子对陡倾构造、强横向变速构造的成像能力。其次,基于VTI介质高阶波场延拓算子本文进一步发展了针对VTI介质的预条件FFD叠前深度偏移成像方法。首先通过提高近似傅里叶有限差分算子的近似阶数,使传播算子具有更高的成像精度;然后采用照明预条件算子进一步均衡不同深度构造的成像振幅。在此基础上,通过推导适用于VTI介质的FFD偏移算子和反偏移算子进而实现VTI介质FFD最小二乘叠前深度偏移成像方法。最后通过对简单各向异性梯形模型,强横向变化标准Hess模型以及野外实际资料进行测试,结果表明:本文提出的最小二乘偏移方法可以对介质各向异性引起的旅行时偏差进行校正,显著提高对地下高陡构造的成像精度,均衡中深层成像振幅提供高分比率的成像剖面。最后针对最小二乘偏移计算量大、相干成像噪音明显的不足进行了优化:首先通过引入平面波编码策略,压缩地震数据,显著提高计算效率;其次在迭代过程中提取CIG道集,并在CIG道集上应用PWC算子进行构造滤波,压制相干成像噪音,提高成像信噪比。在实现优化算法的基础上,通过各向异性Marmousi2模型进行数值测试,结果表明:经过优化的偏移成像方法具有三点改进:1)方法适用于复杂强横向变化的VTI介质偏移成像;2)方法具有更高的计算效率和更高的成像信噪比;3)采用平面波编码策略克服了单程波类算法近地表成像精度低的缺陷。