在整个地震勘探过程中,精确地求取地震波在地下介质中的传播速度,一直是地震勘探的核心问题之一。由于直接测量速度场只能在很小的局部进行,所以地球物理学家们一直致力于利用地震波本身的信息进行速度求取。旅行时层析成像就是利用地震波走时包含的速度信息,通过求取地震波在地下介质的传播路径,用全局优化方法进行反演求取速度的一类方法。广泛应用的射线旅行时层析成像,是在地震波频带无限宽的假设前提下进行传播路径求取的,这与地震波的有限频带性相违,因而求得的地震射线路径不能正确描述地震波的传播路径。而基于波动理论的绕射层析成像,要求速度模型简单或初始速度与真实速度的差异小,方法所利用的地震波波形信息除了受介质的速度结构影响以外,还受其它多种因素的影响,因而在实际中难以广泛应用。本文研究了基于波动方程理论的旅行时层析成像方法:波路径旅行时层析成像方法。波路径是基于波动方程理论计算的考虑到地震波频带有限性的地震波传播路径,它具有一定的面积或体积,能够到达射线所不能到达的某些区域,因而对地下介质的采样更加均匀;并且由于波路径的计算是基于波动理论,对参考速度模型光滑性的依赖性小,因而波路径旅行时层析成像能够适应复杂介质的成像要求。数值模型实验表明:相对于射线旅行时层析成像,波路径旅行时层析成像的迭代过程更加稳定,能够提供出一个更加合理的结果。本文将波路径应用于近地表速度建模问题中,提出了利用初至信息反演表层速度结构的回转波波路径层析成像方法和基于叠前深度偏移的表层速度建模方法。模型实验和实际资料处理显示,回转波波路径层析成像对初始速度模型的要求比较宽松,能够反演出近地表层的速度异常体,结合表层速度建模方法能够提供满足叠前深度偏移精度要求的表层速度模型,具有良好的应用前景。