随着煤炭和石油的不断勘探和开采,地震勘探逐渐从构造简单的地质环境向复杂构造区深入,精细化数据处理和解释成为地震勘探的目标之一。传统的地震数据处理理论和技术都是以反射波为基础,但由于瑞丽准则的限制,反射波成像不利于小尺度地质体的勘探与识别。小尺度非均匀不连续地质体,如断层、裂缝、尖灭点等,广泛存在于地下空间,与煤矿安全生产和油气藏开发等存在着密切联系,其准确勘探与定位对于煤矿的安全开采和油气富集区的圈定具有重要作用。绕射波是小尺度地质体的波场响应,携带着关于小尺度地质体的详细地质信息,波场传播遵守惠更斯原理,成像方面可突破瑞丽准则限制,具有高精度成像的潜力。因此,绕射波可被用于小尺度地质体的高精度成像。但绕射波能量一般弱于反射波,振幅衰减较快,且由于传播规律的差异,传统的反射波处理方法不适用于绕射波,如叠加、速度分析等,导致绕射波在应用方面面临巨大的挑战。针对小尺度地质体成像问题,本文以绕射波为出发点,分别从绕射波分离、速度分析和成像三个方面进行了一系列研究。本文在传统的平面波破坏滤波（PWD）基础上提出了基于正则化约束的PWD方法,该方法可以有效估计反射波局部倾角,有助于得到高质量分离的绕射波。PWD方法以平面波入射为假设,利用反射波同相轴局部倾角预测压制反射波,分离出绕射波场。但传统的倾角估计方法容易受随机噪声的影响,使倾角估计不准确,且当小尺度地质体存在时,平面波假设不再满足,导致局部倾角估计不稳定。正则化PWD方法利用了反射波局部倾角和随机噪声的稀疏性差异,将反射波局部倾角的稀疏性作为倾角估计的先验信息,增加了倾角估计的准确性,同时将反射波局部倾角进行正则化约束,提高局部倾角估计的稳定性,减少多解性,从而有效预测反射波局部倾角场,得到高质量分离的绕射波。大多数现存的绕射波分离方法仅利用了反射波和绕射波的运动学差异,忽视了其动力学特征差异,不利于绕射波高精度成像。本文提出了基于多道奇异谱分析（MSSA）低秩约束的绕射波分离方法,该方法综合考虑了反射波和绕射波在运动学和动力学的双特征差异:反射波和绕射波在共偏移距或叠后域的线性形态差异,以及反射波和绕射波的能量差异,预测能量较强的线性反射波,分离出绕射波场。MSSA算法利用Hankel矩阵变换和奇异值分解技术,将地震信号用奇异值和奇异向量表达,且信号的能量强度和线性性质与奇异值大小直接相关。利用反射波信号低秩的特点,基于奇异值曲线的曲率进行秩的优选,选择绕射波对应的奇异值和奇异向量恢复绕射波信号。基于低秩约束的绕射波分离方法考虑了绕射波的动力学性质,可有效保护其振幅和相位特征,有利于绕射波速度分析和成像。绕射波速度分析对小尺度地质体成像具有重要影响,本文提出了结合倾角域道集和改进的自适应最小方差波束形成（AMVB）的绕射波速度分析方法。利用倾角域绕射波走时校正公式,理论上证明了绕射波对偏移速度的扰动较为敏感,当偏移速度偏高或偏低时,绕射波同相轴表现为开口向下或向上的“笑脸”形态,当且仅当偏移速度准确时,绕射波同相轴表现为一条水平直线。因此,可利用绕射波在倾角域对偏移速度敏感性,实现绕射波速度分析。由于绕射波一般能量较低,容易受噪音影响,拉平后的绕射波同相轴无法形成高聚焦的速度谱。AMVB算法综合考虑了信号的最小方差、相干因子和相关性等因素,将倾角域绕射波信号进行高度聚焦叠加,从而可拾取到准确的偏移速度,有助于绕射波高精度成像。针对小尺度非均匀不连续地质体,结合绕射波分离和速度分析,基于高精度走时计算和近似的倾角域绕射波走时校正公式,提出了高精度绕射波成像技术流程。从波场角度分别分析了反射波场和绕射波场在倾角域和成像域中的表现,说明了绕射波成像技术流程的科学性和可行性。反射波和绕射波场在倾角域和成像域中具有类似的特点,唯一区别在于绕射波在倾角域和成像域中开口方向相反,有助于绕射波速度分析与成像的相互验证。传统的倾角域校正公式参数较多,不利于绕射波成像技术的实际应用。故假设地下空间每一点均为小尺度绕射点,对走时校正公式进行近似,使倾角域绕射波走时校正公式更加合理和实用,有利于绕射波成像技术流程的实际应用和推广。通过多个数值模型和实际数据的应用,证明了高精度绕射波成像技术流程可以对小尺度地质体进行准确定位和识别,为地震解释提供更多详细的地质信息。