走时层析成像作为一种有效还原地层介质速度模型的地球物理反演方法,以其计算量小、计算效率高的优势,长期以来一直被深入研究与应用。本文详细讨论了射线走时层析成像的基本原理与方法,针对走时计算方法,采用了基于程函方程求解的快速扫描算法(FSM),该算法的计算量仅为O(N),相比于传统的快速行进法(FMM)与最短路径算法(SPM),具有更高的计算效率,并能保证足够的计算精度。本文对该算法的原理与数值实现方案进行了详细推导,并通过多种模型验证FSM算法的效率与精度。在层析反演方面,利用基于FSM算法的伴随状态法来求取Fréchet导数矩阵,减少计算量与内存占用。这种无射线路径的走时层析方法相比于基于SPM的射线路径走时层析具有快速稳健的优点。本文采用几种不同复杂程度的速度模型,通过两种层析反演方案,突出体现了基于FSM算法的走时层析成像将是初至波走时成像的重要发展方向。同时,在速度建模的应用方面,本文将FSM走时层析构建的速度模型,应用到逆时偏移中,获取准确的地下介质结构。本文的主要研究成果有:(1)实现最短路径算法、快速行进算法、快速扫描算法求解模型走时场;(2)推导伴随状态法求取梯度的数值计算方法,实现基于最短路径的射线层析成像和基于快速扫描算法的无射线层析成像;(3)实现基于声波方程的叠前逆时偏移算法;(4)实现了FSM走时层析与逆时偏移联合成像,获得有效的地层结构特征。