本文介绍了非平稳信号与时频分析的基本概念和主要数学工具,以及各种线性时频分析方法之间的关系和各自的优缺点。从时频分析理论出发,把短时傅立叶变换、小波变换及S变换(包括广义S变换)用于地震数据的时频分析与分频处理,地震瞬时频率属性参数提取以及瞬时品质因子Q提取。主要对S变换的定义、推导和特性进行详细阐述,S变换综合短时傅立叶变换和小波变换的优点,又避免了它们的不足:它与傅立叶变换有着直接的联系,具有无损可逆性;与短时傅立叶变换和小波变换一样,也是一种线性时频表示,因此不存在交义项的干扰;S变换具有多种分辨率,克服了短时傅立叶变换固定分辩率的不足;S变换中含有相位因子,这是小波变换所不具备的特性。为了进一步理解S变换的特性,本文将S变换与短时傅立叶变换和小波变换进行比较分析。同时对广义S变换的窗函数进行了详细的研究,并进行了改进和简化,提高了广义S变换在信号处理中的实用性和灵活性。基于上述基本理论,本文将时频分析应用于地震勘探的处理和解释中,主要侧重在地震数据分频处理,地震瞬时参数和瞬时品质因子Q的提取方面。时频分析方法处理地震数据可以比较准确地刻画地震信号的时间和频率的局部特征,同时也可以得到瞬时地震参数剖面,以及地震瞬时品质因子Q剖面,从而更利于地震剖面的解释。通过对实际地震剖面的处理结果的观察,得出时频分析技术在地震数据处理中的正确性和有效性。