高频假设下的地震射线理论、以及相应的地震成像理论，在射线密度稀疏条件下，不可能得到较高分辨率的构造图像。实际地震波的能量传播主要集中在中心射线附近一定的空间范围内，此空间范围称为第一菲涅耳体。因此，用第一菲涅耳体射线来描述地震波的传播更加符合实际情况。旁轴菲涅耳体的计算简单、高效，前人已经对此做过大量工作，我们将之用于二维层析成像研究。考虑到旁轴菲涅耳体并不能完全代表真正的菲涅耳体，在三维层析成像研究中，我们使用了精确菲涅耳体。本文先给出计算多震相菲涅耳体地震射线的方法，然后给出利用多震相菲涅耳体射线进行2D/3D速度模型和反射界面同时反演成像的方法技术，并通过数值模拟试验，与传统射线层析成像方法进行了对比分析。数值模拟的结果表明：当射线密度稀疏时，无论是对速度模型的重建还是对反射界面几何形态的更新，选择合适频率(单频)或一定频率范围(变频)的菲涅耳体射线层析成像方法的结果均优于传统射线层析成像所得结果。为了降低频率选取带来的不确定性，可选择变频菲涅耳体射线层析成像作为实际地震层析成像的首选反演算法。算法有效性试验和误差敏感性试验的结果表明，菲涅耳体射线层析成像对初始模型和走时数据误差不敏感。