地面激发的地震波向地下深层传播过程中会产生大量不同入射角的高维地震反射信号,该信号综合反映了地下介质丰富的岩性、构造和含油气性等信息。地震信号反演可从该高维信号中反推地下地质体的多种信息,是地下油气等资源勘探的重要手段,也是当前信号处理和资源勘探领域共同关注的前沿交叉科学问题。高维地震信号反演的难点主要在如下四个方面:（1）地震反演问题本身的不适定性,主要表现为反演过程的不稳定性和反演结果的多解性;（2）高维地震信号对不同类型储层参数的响应存在差异,当同步反演多种储层参数时,部分参数的反演结果可靠性较低;（3）地震信号的频带窄,导致地震反演结果的分辨率低、精度不足;（4）地震信号的横向一致性较差,导致常规逐道反演方法的平稳性低,进而造成反演结果横向连续性不足。现有多数方法以模型驱动方式添加储层参数的先验约束以降低上述问题带来的影响。随着对复杂油气藏勘探精度要求的逐年提升,这种模型化的方法已经很难满足实际应用需要。本文以储层参数稀疏表征为手段,提出了模型与数据混合驱动的地震信号反演新方法,在实际应用中获得了很好的效果,主要创新研究包括以下四点:（1）为克服反演问题的不适定性,传统地震反演方法假设地下储层参数服从特定的分布类型或结构特征,导致其应用范围具有局限性,当实际情况远比假设条件复杂时反演无法达到满意的效果。针对上述问题,本文提出了基于字典学习和稀疏表征的地震信号反演方法。该方法利用过完备字典学习算法获得地下储层参数的沉积结构特征字典,然后以地震信号反问题的固有物理机制为模型驱动,以基于特征字典的储层参数稀疏表征约束为数据驱动,实现了模型与数据混合驱动的地震反演求解过程。研究表明,该方法能自适应地获取储层参数先验信息,可显著提高反演结果的准确性,适用于复杂地质区域的反演任务。（2）传统地震反演方法在同步反演多个参数时,未考虑不同参数间的相关性空变问题,导致多参数同步反演效果欠佳。针对这一问题,本文提出了基于联合稀疏表征的多参数同步地震信号反演方法。该方法利用联合稀疏表征技术学习多个储层参数的联合字典,其同时刻画了各储层参数的沉积结构特征及参数间相关性特征,同样以模型与数据混合驱动的方式构建反演目标函数,实现了沉积结构与相关性联合约束的多参数同步反演。研究表明,该方法进一步提高了同步反演的每一个储层参数的反演精度,特别是对振幅信息敏感度偏弱的密度参数。（3）受地震观测信号的频带限制,传统方法的反演结果分辨率不能满足复杂油气藏精细化描述的需要。针对这一问题,本文提出了基于联合稀疏表征和高频预测的高分辨率地震反演方法。该方法借鉴图像超分辨率的思想,利用测井数据所提供的全频带信息,通过联合字典学习算法获得反演结果中低频信息与测井高频信息的关联特征,并根据该特征预测反演储层参数的高频分量,拓宽了反演结果的频带。研究表明,该方法提高了识别地下薄层/薄互层的能力,可满足复杂油气藏反演任务的精细化描述需求。（4）前述反演方法忽略了储层参数的空间结构特征,导致反演结果横向连续性较差。现有的3D反演方法或者过于简单,忽略了真实的空间结构特征;或者过于复杂,计算效率较低。针对这一问题,本文提出了基于联合稀疏表征与空间结构约束的3D地震反演方法。该方法首先利用结构张量技术从地震观测信号中提取出结构张量场,用以描述地下储层参数的空间结构特征;然后以该特征作为横向约束,并在纵向上结合基于联合稀疏表征的沉积结构和相关性约束,实现了3D高分辨率地震反演。研究表明,该方法保留了前述研究高准确性、强自适应性和高分辨率的优点,又增强了反演结果在空间展布上的连续性。综上,本文为复杂油气藏高维地震信号反演提供了新的思路,也可为相关领域反问题的求解提供借鉴,具有一定的理论价值和实践意义。