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本文在不规则最短路径算法(Irregular Shortest-path Method, ISPM)中引入分区多步计算技术(Multistage Scheme)，实现了二维和三维复杂介质中的多次透射、反射及转换波的追踪计算(简称：Multistage ISPM)。分析讨论了Multistage ISPM算法的计算精度和CPU运行时间，证明Multistage ISPM算法具有全局解、数值计算稳健、计算精度高、以及计算速度快等特点。论文的重点内容是结合上述Multistage ISPM(正演算法)和DMNCLS-CG(共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘问题)反演算法，提出了一种新的二维和三维复杂模型中多震相走时联合同时反演成像的方法技术(即：同时更新速度模型和反射界面起伏细节)。上述同时反演算法与传统算法的不同在于：(1)可使用多震相的走时资料对多个界面及速度场同时反演更新；(2)反演算法中引入了不同震相资料的权系数，以此来兼顾各种震相走时的拾取精度；(3)反演算法中引入了不同模型参数的归一化因子，以平衡速度模型和反射界面的更新；(4)反演算法中引入了射线密度的概念，可有效地克服射线密度过大(或过小)区域速度模型的过度(或欠)更新问题。为了验证本文提出的同时反演算法的有效性，对比分析了目前较为流行的Subspace反演算法，结果表明：本文的同时反演成像方法与Subspace反演算法具有相近的成像能力。为了拓展上述反演成像方法的功能，本文开展了以下三方面的数值模拟实验：(1)多震相走时联合反演成像(界面已知)；(2)多震相走时联合同时反演多个反射界面(精确定位问题，速度模型已知)；(3)多震相走时联合同时反演成像(同时更新速度模型和多个反射界面)。2D3D数值模拟实例(含噪声敏感性试验)表明：多震相走时联合或同时反演成像是一种提高走时成像空间分辨率，进而降低重建速度模型及反射界面失真度行之有效的方法技术。