在地震折射波勘探方法中,t₀差数法和走时层析成像都是工程与环境地球物理勘探中应用最为广泛的方法。t₀差数法是一种常规折射波解释方法,其特点是简单、经济且高效,它可为工程地质提供近地表起伏变化及速度纵向变化等资料。走时层析成像弥补了常规折射波解释方法只适用于缓慢变化的层状结构的情况而无法探测地下复杂结构的不足,该方法在构建近地表速度模型和地下探测过程中具有高度适用性,可识别速度纵横向变化梯度、刻画地下构造的几何形态和结构,并能直接反演地下介质的物性参数。其特点是不受震源和检波器特性的影响,且计算效率很高,其主要目标是确定地下的精细结构和局部不均匀性。本文主要从正反演两方面对折射波走时层析成像进行了优化。首先,在正演方面,引入了一种新的走时计算方法用以提高正演计算的精度和效率。由于走时层析成像是一种基于无限高频假设的射线反演方法,因此射线追踪是尤为重要的,它决定了正演过程中的走时精度。我们重点提高了正演走时计算方法的精度和效率,在快速推进法（FMM）的基础上引入了一种改进的正演走时计算方法,该方法通过求解多个模板上的程函方程（Eikonal）,计算每个网格点上的解,然后选择满足逆风条件的解,称之为多模板快速推进法（MSFM）。模板以每个网格点为中心,并覆盖最近的所有邻点,在二维空间中,两个模板覆盖8个相邻点,包括直角坐标和对角坐标。对比于快速推进法,该方法对具有更高的计算精度和效率,对近地表复杂起伏模型具有更好的适应性。然后,在反演方面,从多尺度反演思想出发提出了一种基于t₀差数法的动态复合先验约束方法,将先验信息加入反演方程中,加强了模型参数与传播算子的相关性,提高了反演的精度。由于走时层析成像是一个混定问题,因此需要正则化处理来减小反演的多解性,并提高解的稳定性,正则化方法的选取是本文的重点研究内容。首先,在正则化过程中引入先验信息进行约束,可以有效替代传统的外部显式的约束方法,从而达到提高解的稳定性的效果。同时,传统的正则化约束方法中正则化因子的选取是一成不变的,这样会造成反演解倾向于依赖模型信息或数据信息的其中一方,从而导致反演信息的缺失,因此,我们采用动态的正则化因子选取方法,即在迭代过程中,首先采用较大的正则化因子,勾勒出模型的大尺度形态,在不断减小正则化因子,用以刻画小尺度慢度模型的扰动,可以使得反演问题的解更加稳定可靠。最后,我们使用模型数据和实测数据进行了试算与分析,验证了本文优化后的走时层析成像算法的有效性。