谱分析方法在非平稳地震信号的处理与解释中发挥了重要作用,通过将时间域的一维信号转换到时间-频率域中进行二维表征,获取与研究目标相关的局部异常信息,进而实现地层刻画、储层预测及烃类检测。然而随着勘探对象的不断复杂化,传统方法已逐渐难以满足精细勘探的需求,需要针对地震信号的特点发展适用技术,提高研究对象的精细识别与刻画能力。论文以地震资料的高精度谱分析为目标,重点围绕时频分析方法基函数与信号特征的相关性以及衰减地震道的时频表征展开研究,在传统时频分析方法对比研究的基础上,发展了两种高时频聚焦度谱分析方法,提高了地震资料的时频谱刻画精度。从时频谱刻画效果及时频集中度的角度对传统的时频分析方法进行了分析。传统的时频分析方法可以分为线性、双线性、非线性以及参数化方法,在方法原理及基函数分析的基础上,设计了恒频阶跃信号模型、频率线性变化信号模型、频率非线性变化信号模型以及地震道模型,分别计算了这些模型信号及其含噪声信号的不同时频分析方法的计算结果。分析表明,线性方法以及参数化方法的计算结果比较稳定,计算效率较高,但时频能量聚集性较低;双线性方法的时频能量聚集性较高,但容易受到交叉项能量的干扰;非线性方法的时频能量聚集性更高,但容易受到噪声影响,造成计算结果的不稳定。地震勘探中常用的时频分析方法通常要求非平稳信号在局部时域内频率特征不发生变化或呈线性变化,然后基于正交时频网格或旋转时频网格,在局部时频面内采用一条与时间轴或频率轴平行、或者具有一定斜率的线段来逼近信号的时频特征。然而实际中非平稳信号的局部时频特性往往呈非线性变化,为此研究了基于局部多项式傅里叶变换的时频分析方法。在局部时频面内,允许时频网格发生弯曲,利用高阶多项式拟合瞬时频率的非线性变化,提高时频表征的能量集中度。实际地震资料的应用效果表明,局部多项式傅里叶变换方法有效刻画了局部地震信号的瞬时频率和振幅变化特征,可以提高具有频率及振幅异常的目标检测的精度。此外,由于在信号表征方面的优势,匹配追踪方法在地震资料处理中获得了广泛应用,其有效性取决于时频原子与所分析信号局部特征的相似程度,若两者相似程度较高,就可用较少的时频原子实现信号地稀疏分解,若两者相似程度较低,不但分解的时频原子难以有效表征信号的局部特征,而且往往需要较多的原子才能逼近信号,因此时频原子库的定义与选择至关重要。传统的时频原子通常包括四个参数,即尺度因子、中心时间、中心频率、相位因子,针对常规地震资料,地震道的时频变化关系较为平缓,四参数时频原子通常能够满足地震道分解的要求,但当地震资料遇到强衰减时,地震道的时频变化关系变得较为剧烈,此时四参数时频原子难以有效表征信号的时频特性,为此研究了基于旋转时频原子库的匹配追踪方法。在常规四参数的基础上,引入频率旋转算子,建立五参数时频原子库,实现衰减地震道的稀疏分解与时频表征。实际资料应用表明,旋转时频原子库能够有效表征地震道的衰减特征,与谱分解等技术相结合,可以有效实现具有衰减特征储层的预测。