地震采集观测系统对地震成像有着深刻的影响。常规的观测系统设计基于叠加组合理论,主要根据叠加和组合的共同作用得到良好的叠加响应,从而进行叠后偏移成像。当地下地质条件复杂时,叠前成像能够获得比叠后成像更精确的结果。叠前偏移成像已经开始大范围推广应用,由叠前偏移成像代替叠后成像已是大势所趋。然而,叠前成像对采集观测系统提出了更高的要求:对中心点和偏移距采样不足可能导致严重的偏移假象,某些观测系统甚至会导致叠前成像失败。国内目前还没有一套成熟的针对叠前成像的观测系统设计技术和理论。现有的三维观测系统分析技术主要针对单个面元,这些技术已不能满足针对叠前成像的观测系统设计要求。如何针对叠前成像设计观测系统以充分发挥叠前成像技术的优越性、进一步提高成像精度,是一个迫切需要解决的问题。本文首先指出了当前观测系统设计存在的问题,然后从叠前偏移的基本理论出发进行了分析,认识了观测系统空间采样对叠前成像的影响。研究了偏移距、方位角分布在地震成像中的作用,明确了叠前成像对观测系统的要求。为了实现对观测系统性能的评价,研究开发了聚焦束、散射点成像响应分析、地震正演模拟、偏移距平面分布分析等多项观测系统分析评价新技术,这些技术能够从不同角度反映观测系统对叠前成像的影响,有利于获得具有良好基本特性和能够解决地质问题的观测系统。理论研究得到的认识、实例分析获得的经验以及研究的这些新技术形成了系统的叠前成像三维地震观测系统设计技术。文中还分析了三维地震观测系统类型、布局、参数等对叠前成像效果的影响,获得了多项新认识:①正交观测系统有利于获得较好的成像效果;②合理增加排列宽度能有效减少偏移假象、提高叠前成像精度;③减小线束滚动距离是改善叠前成像的有效途径;④提高横向覆盖次数能够改善整体成像效果;⑤加密测线距和炮线距是当前提高叠前偏移精度的主要方法;⑥基于平滑线的变观新方法更有利于提高叠前成像精度等。这些认识为观测系统设计提供了依据。本文还针对东濮凹陷的实际观测系统进行了分析,进一步证实了上述观点。