地震勘探从采集、处理到解释是一个系统工程,环环相扣。其中采集是地震勘探的基础。常规的地震观测系统设计方法是基于地下水平层状介质假设的,通常不能适应复杂地表复杂构造情况。研究基于波动方程理论的地震采集参数论证方法,对于提高复杂地表、复杂构造及复杂岩性地震成像质量具有重要的理论意义和应用价值。本文在理论分析、数值模拟和实例应用的基础上,研究了典型近地表速度结构对地震波场及能量场的影响,研究了波动方程地震照明分析和地震分辨率分析,为定量评价地震采集参数的优劣提供了依据。(1)采用二维声波方程和基于射线理论的程函方程有限差分法波前面模拟,通过地震波场快照、单炮记录,分析研究了典型近地表理论模型的地震波场特征、主要类型及其传播规律,为复杂近地表地区地震数据采集、处理和解释方法研究提供了可靠参考依据;(2)从地震波能量理论出发,提出了表征地震波能量传播的有效方法,即采用连续谐波震源通过弹性波方程数值模拟获得弹性波的散度场、旋度场以及动能场和势能能流场来定量刻画弹性波的能量特征及传播特征,并重点研究分析了复杂近地表复杂构造理论模型地震波能量场及其传播特征。(3)从地震波能量理论出发,给出了波动方程地震照明度计算方法。提出了基于玻印亭矢量(Poynting Vector)的地震波场方向性分解方法和地震定向照明度计算方法;(4)从地震波传播和成像理论出发,提出了波动方程点扩散函数(或分辨函数)计算方法,并研究分析了影响点扩散函数的主要因素,为评价地震采集参数的优劣提供了一种新的测度手段;(5)提出了一种面向目标成像质量的地震观测系统优化设计方法。该方法基于地质-速度模型,利用面向目标的地震波照明度分析、地震波分辨率分析、地震波快照、单炮记录以及弹性波的散度场、旋度场以及动能场和势能能流场分析等综合研究所得出的初步论证优化的采集参数对整个模型进行数值模拟采集,并对该数据体进行CRP叠加和叠前深度偏移处理,最后通过地震模型和偏移图像的全局对比,分析成像的分辨率、信噪比以及构造形态等,利用综合评价结果确定是否进一步修改地震采集参数。通过少量迭代修改,最终可以经济得到针对该模型的确保成像质量良好的最佳地震采集参数。通过冀中地区复杂断块模型的应用研究,证明了该方法的正确性及实用性。