在地球物理勘探处理和解释过程中,速度都是非常重要的参数之一,对于地下介质的构造描述和储层油藏预测都尤为重要。地表和地下双复杂构造的参数反演与建模是地震数据处理的难点内容之一。初至波走时层析对于速度纵横向变化严重的近地表地区有很好的适应性,是近地表建模的主要手段之一。但随着勘探难度的增加和精度要求的提高,初至波走时层析反演的精度已经无法满足现有的勘探要求。全波形反演可以精确的获得地下介质的速度、密度等参数,但是其本身具有较强的非线性,对于初始模型精度要求高,所以很难应用到实际资料处理中。初至波是拾取初至到达后一段时间内的地震波场信息,相对于全波场信息非线性程度较弱,反演过程相对稳定。因此本文从时间域FWI理论入手,对初至波进行波形反演研究。本文从初至波的有效拾取出发,结合边缘保护平滑算子在信号处理中的应用,改进了传统的能量比法拾取初至波,提高了拾取精度。深入研究了二维时间域波形反演的基本理论,推导了声波方程的有限差分格式和目标函数的梯度公式。文中采用初至波走时层析为其提供一个较为精确的初始速度模型,提高反演的稳定性。其中初至波层析采用FMM算法求取走时,利用Rung-Kutta射线追踪计算灵敏度矩阵,进而完成初至波走时层析反演,在此基础上再进行初至波波形反演提高最终结果的精度。针对常规初至波波形反演过程中存储量过大的问题,本文引入L-BFGS算法来提高反演的效率。L-BFGS算法对计算机内存的占用少,反演过程中不需要存储Hessian矩阵,通过前m步修正信息和初始正定矩阵完成对Hessian矩阵的更新,收敛速度快,计算精度高。针对初始速度模型的精度问题,引入互相关目标函数来恢复地下介质的低频信息,减小初至波波形反演陷入局部极小值的可能。互相关目标函数只对模拟地震记录和观测地震记录的相似性敏感,侧重相位匹配,具有更强的线性性质。以初至波走时层析反演结果作为初始速度模型,利用加入互相关的新的目标函数进行迭代更新,可以有效的提高反演结果的精度和反演过程中的稳定性。从模型结果来看,优化后的初至波波形反演与常规方法相比具有更高的计算效率,精度也有所提高。