在近地表勘查研究与应用中,面波勘探是一种有效的探测浅层地下地质构造和物性参数的方法,被广泛应用于城市地下空间探测。瑞雷波场正演模拟是研究瑞雷波传播规律的重要途径,揭示了不同地质模型对应的地震记录中瑞雷波的吸收衰减特征;瑞雷波频散曲线隐含地下介质的物性参数信息,应用面波勘探采集得到浅层地震数据从中提取出瑞雷波频散曲线,对其反演得到如地层厚度、横波速度、泊松比等地层参数。横波速度结构可以直观反映地下异常结构变化,是地质灾害预警的重要信息。因此,研究适应性强、反演精度高的瑞雷波频散曲线反演方法,提升面波勘探的处理和解释具有重要意义,是现今急需解决的问题之一。针对上述问题,本文系统研究了弹性介质、粘弹介质和各向异性介质瑞雷波场正演模拟及瑞雷波频散曲线正演模拟;对比分析7种瑞雷波频散能量谱计算方法,评价不同成像方法在频率速度域的成像分辨率及频散曲线提取精度;构建基于群智能优化算法的瑞雷波频散曲线反演方法,以提高面波勘探地层结构的精度。本文提出了一种基于多轴复频移近似完全匹配层（MCFS-NPML）吸收边界的瑞雷波场正演数值模拟,系统地论述并比较了有限边界下,分别在弹性介质、粘弹介质和各向异性介质中,均匀半空间、三层水平层状介质模型以及含空洞地层模型对应的瑞雷波传播规律和频散曲线的变化趋势。由于吸收边界会导致虚假反射波和瑞雷波振幅能量衰减情况,验证了MCFS-NPML可以有效提升正演算法的计算效率和模拟效果。在瑞雷波场正演模拟基础上,基于弹性介质和粘弹介质层状模型,不同地层速度的频散曲线变化特征进行分析。利用矢量波数变换法计算瑞雷波频散能量谱,提升了瑞雷波频散能量谱成像精度,实现了瑞雷波多阶模态频散曲线的利用。从地震数据中无法直接观测得到瑞雷波多阶模态频散曲线变化特征,需要通过数据处理方法将地震信号从时间域转换至频率速度域,从而提取出瑞雷波频散曲线,具有重要的实用价值是后续频散曲线反演的基础。因此,本文对瑞雷波频散能量谱计算方法开展深入研究,在三层弹性介质水平层状模型中,研究-变换、-变换、SFK变换、矢量波数变换等7种瑞雷波频散能量谱计算方法,在频率速度域成像分辨率及适用性。模型正演数据处理结果表明,矢量波数变换法的瑞雷波频散能量谱计算方法可以实现高精度的频散能量谱成像,有效提升瑞雷波频散曲线的提取结果。因此选择矢量波数变换法进行数据处理,是一种适用性更高的瑞雷波频散能量谱计算方法,可以更好地反映近地表结构及物性参数,为后续的瑞雷波数据处理提供技术支撑。本文提出了基于自适应步长改进的萤火算法与改进的海洋捕食者（ACMPA）算法的两种瑞雷波频散曲线反演方法。通过对萤火虫算法进行自适应步长改进,根据不同步长函数随迭代次数的变换趋势选取最适应算法的步长函数,可以有效提升收敛速度和算法精度。在此基础上对海洋捕食者算法的步长函数进行改进;通过混沌初始化方法提高初始化种群位置的质量;基于精英竞赛方法增强搜索能力,避免算法陷入局部极值点,动态调整搜索范围,从局部与全局寻优两个方面提高反演的收敛速度,提出了基于自适应步长、混沌初始化和精英竞赛机制改进的海洋捕食者（ACMPA）算法。通过PSO（Particle Swarm Optimization）算法、FA（Firefly Algorithm）算法、阻尼最小二乘法、MPA（Marine Predators Algorithm）算法、改进萤火虫算法及改进海洋捕食者优化算法,对多峰值数学函数模型进行测试分析,证明了改进海洋捕食者（ACMPA）算法的收敛性与稳定性表现出色,收敛精度和收敛范围优于其他优化算法。通过构建与瑞雷波频散曲线相应的反问题,基于ACMPA算法应用正演模拟地震记录和实测地震数据进行反演,证明了基于ACMPA优化算法的瑞雷波雷波频散曲线反演方法,具有适应性强和反演精度高等优势。