本文是勘探地震学和现代信号处理两个学科交叉的产物，其研究目标是根据地震波传播基本理论和现代信号处理的最新信号估计理论成果，研究新的去噪理论和方法，有效消除低信噪比与三维地震勘探资料的多次波等相关噪声。 本文首先根据合成资料的结果，评述了现有的地震资料去噪理论与方法的特点与局限性。然后深入剖析了现代信号估计理论与波束形成理论研究进展。在此基础上发展了广义旁瓣聚束滤波理论与方法，在其基本假设中取消了原来最小方差聚束滤波理论中对随机噪声高斯分布的假设，拓宽了原有的最小方差无偏聚束滤波方法的适用范围。与此同时，针对原来聚束滤波器在低信噪比背景的不稳定性，在新的优化聚束滤波理论中通过引入正则化因子对其性能进行直接控制，保证了在保护有效信号特征与去噪效果中达到最佳平衡点。经过合成资料和实际资料的对比，验证了新方法的效果优于现有的去噪理论与方法，特别在复杂地震地质情况下具有广阔的应用前景。本文也发展了信号处理领域中波束形成理论，填补了阵列处理的波束形成理论在非线性时间延迟信号处理方面的空白。 获得的创新性研究成果包括：(1)在勘探地震学和现代信号处理两个学科交叉研究中，基于信号处理的最新研究成果，研究新的优化聚束滤波理论和方法，通过显著控制原来最小方差聚束滤波器响应的旁瓣，达到进一步有效提高去噪能力的目的；(2)研究正则化聚束滤波理论方法，通过引入一个参数来根据实际资料特征控制优化聚束滤波器的性能，保证其在强噪声环境下的稳定性，提高其抗噪性能；(3)通过深入开展地震信号处理中的聚束滤波的理论研究，获得了前人最小方差无偏聚束滤波器和新的优化聚束滤波器的系统响应，其中对最小方差无偏聚束滤器系统响应的解析解与前人得到的数值解结果完全一致，通过对优化聚束滤波器系统响应的进一步分析，得到其性能的定量评价，确认其正确性和优越性；(4)发展三维聚束滤波方法。通过地震资料按方位角分区，地震信号的时距关系由复杂的三维双曲时距曲面简化为二维双曲时距曲线，从而减少计算量并提高稳定性，再通过引入动态平衡面元，避免方位角分区内地震道数短缺，提高了去噪的稳定性和分辨率；(5)通过对模拟三维低信噪比合成地震资料和来自江苏油田、辽河油田等大量低信噪比和三维实际地震资料的应用，证实本文所研究的新理论与方法能够实现低信噪比和三维地震资料的有效去噪。