在海洋地震勘探中,常规逆时偏移算法将自由表面多次波作为干扰噪声进行压制,仅利用一次波进行成像。当地下构造比较复杂或由于观测系统排布客观因素导致检波点或炮点排列较为稀疏时,一次波的照明度无法满足成像需求,需要更为有效的成像算法来挖掘原始数据中蕴含的地下界面信息。自由表面多次波相较一次波拥有更长的传播路径和更小的传播角度,其照明范围更为宽广、照明度更加均衡,能提供额外的地下照明,基于双程时波动方程的逆时偏移算法不受地下构造倾角和偏移孔径限制,且成像精度高,因此利用自由表面多次波进行逆时偏移成像对于提高成像质量具有重要的研究意义。本文围绕自由表面多次波逆时偏移成像展开研究,首先,实现了基于交错网格有限差分的声波方程和弹性波方程一次波和自由表面多次波正演模拟计算,解决了边界吸收等关键问题,为后续成像研究提供了数据基础。之后,针对海面激发、海底接收和海面接收两种观测系统下的自由表面多次波成像,分别研究给出了不同的处理方案:对海底接收数据采用双检匹配滤波方法进行下行自由表面多次波分离,采用镜像偏移进行成像;对海面接收采集的数据使用SRME方法进行自由表面多次波预测,分别采用两种不同的自由表面多次波逆时偏移算法进行成像。在成像处理中,为解决逆时偏移剖面中存在的低频干扰的问题,通过分析其产生的机理,采用Laplace算子进行了有效压制。通过一系列由简单到复杂的模型试算,对偏移中间过程及成像效果都进行了理论验证,最终将自由表面多次波逆时偏移成像结果与常规一次波逆时偏移成像结果进行对比,表明自由表面多次波成像的可行性、有效性及对复杂模型的适用性,其成像结果所提供的地下界面的成像范围更广、照明度更为均衡,验证了自由表面多次波逆时偏移成像理论满足地震勘探精细成像的要求。