随着勘探要求的不断提高,普通地震勘探的成像精度已经难以满足人们勘探的需要。全波形反演技术(Full waveform inversion)因具有刻画精细构造的潜力,而受到当今地球物理学家的追捧。虽然全波形反演在理论上几乎完美,但是在具体的实现过程中却困难重重。本文实现了基于一阶声波方程的全波形反演方法,研究过程中论文对以下部分进行了详细讨论:首先,论文对全波形反演中的正演部分进行了研究,详细推导了一阶声波方程的交错网格差分格式,讨论了PML吸收边界条件和CPML吸收边界条件的优劣点,以及交错网格有限差分的稳定性条件和频散条件。通过编程实现了简单模型和Marmousi模型的正演模拟,模拟结果表明在满足稳定性条件和频散条件下的时间二阶空间十六阶的交错网格有限差分正演具有较高的精度;通过CPML吸收边界条件和PML吸收边界条件的吸收效果对比,可以明显得出CPML吸收边界条件的吸收效果要优于PML吸收边界条件。其次,论文详细推导了基于伴随状态法的梯度求取公式,并对迭代步长的选取、多尺度反演策略和初始模型的选择进行讨论。通过编程实现了全波形反演中梯度的求取,验证了伴随状态法求取梯度的有效性。通过在异常体模型和Marmousi模型的反演结果,表明了本文所采取的方法和技术是可行的,多尺度反演策略可以提高反演精度,初始模型的选取对反演结果有很强的影响。此外,针对梯度优化问题,论文对L-BFGS算法进行了详细的公式推导,对比了最速下降法、共轭梯度方法和L-BFGS算法的全波形反演结果,可以明显得出基于L-BFGS算法的全波形反演结果具有最好的效果,基于共轭梯度法的反演结果次之,最速下降法相对前两者表现最差;针对全波形反演编程困难以及计算成本巨大的问题,本文讨论了新一代的Fortran语言特性和OpenMP并行技术在全波形反演中的应用效果,结果表明运用新一代的Fortran语言的特性具有易于编程,使代码便于维护的优点,对全波形反演的代码编写十分有利,利用OpenMP并行技术可以在很大的程度上减少计算成本。