随着石油地震勘探的不断深入，勘探目标越来越复杂，勘探难度越来越大，如何提高复杂地区的地震资料采集质量是一个亟待解决的问题。地震观测系统和上覆地层介质对目标构造的资料采集具有十分重要的影响。基于水平层状介质假设前提的常规地震观测系统设计方法不能适应复杂地表复杂构造情况。于是，人们提出了基于模型面向目标的地震照明技术，如射线追踪法照明技术、波动理论照明技术等。基于射线追踪法的地震照明模拟具有方便快速、可灵活处理地形起伏情况等特点，其计算代价不高；但由于高频近似等假设前提，其计算精度较低，不能很好地适应模型参数的快速变化，同时很难准确地得到地下波场的能量信息。波动方程法地震照明能够克服射线法的上述缺点，更加准确的分析和评价观测系统和上覆地层对目标构造的影响。本文在理论研究、数值模拟试验和实际应用的基础上，研究了利用地震照明技术进行面向目标的采集观测系统设计的有效性和实用性。　　 基于波动方程的地震照明技术的关键步骤是波场延拓，目前为止，发展为单程波波场延拓和双程波波场延拓两个主要方向：单程波波场延拓采用叠前深度偏移中常用的各种频率域延拓方法，作为全波波动方程的近似，单程波延拓方法具有高效的特点，但同时损失一定的精度；双程波波场延拓在频率域执行的效率比较低，在时间—空间域延拓不但可以节约内存，而且采用高阶算法可以保证计算精度。利用Parseval定理可以从波场正演模拟过程中方便地计算地震照明度。利用照明度进行观测系统采集效能评价和分析比利用地面正演记录更方便、准确。　　 本文首先介绍了波动方程的单程波延拓原理，比较了频率空间域有限差分、分步傅立叶和傅立叶有限差分等算子各自的优缺点，然后介绍了单程波照明度模拟方法。接着，从声波波动方程出发，介绍了双程波的时间——空间域延拓方法，在其基础上引出双程波地震照明度计算方法，对简单模型和复杂模型进行了波场特征分析和照明特征分析。论文通过对典型复杂模型的试算，在对比双程波和单程波照明方法效果的同时，结合正演、偏移结果证明了各种照明分析方法的有效性。最后，将本文研究的照明分析方法应用于实际海上二维地震采集观测系统优化设计，取得了比较满意的效果。文章得出了一些比较有意义的结论：　　 (1)从声波波动方程出发，推导了分步傅立叶法波场延拓算子，在实现延拓算法的基础上，对比了几种单程波算子的脉冲响应。试验表明，分步傅立叶算子的计算效率最高，且能克服一定的频散。采用主频附近能量叠加后的单程波照明效果很好，能比较清晰、直观地反映出地下空间的照明能量分布。　　 (2)实现了可以接近实际野外情况的单程波照明度模拟，利用提出的几种照明分析方法对理论模型进行了试算，结果表明，综合利用文中提出的几种照明分析方法可以反映出不同炮点位置、排列长度、放炮方式对目标构造的照明影响，利用照明分析进行观测系统优化设计是可行的。　　 (3)本文采用二维声波方程的高精度数值模拟，通过波场快照、单炮记录研究了简单透镜体模型和复杂盐丘模型的波场传播规律，在指出利用正演结果分析评价观测系统存在缺陷的基础上，提出了在时间——空间域计算双程波照明度的简单方法。该方法节约内存、计算效率高，而且效果很好，能准确地反映出波场的能量分布特征。　　 (4)通过对比发现，单程波与双程波法计算照明能量分布的基本趋势一致，但由于单程波本身的近似，其波场能量信息不如双程波丰富，同时，对于模型速度变化剧烈和传播角度过大的情况，单程波不能很好地适应。在计算成本方面，双程波法比单程波法大得多，二者不在同一数量级。因此，实际工作中必须兼顾计算精度和效率问题。　　 (5)综合利用源照明、源检组合照明、波场上传照明等分析方法可以确定面向目标的观测系统优化方案。通过复杂盐丘模型和复杂断层模型的试算，证明该方法在采集观测系统优化设计中的有效性。其中，盐丘边界对盐下照明的影响最大，最佳炮位置应根据照明分析结果确定；断层模型的最佳炮点位置在垂直于断盘地层的方向上。　　 (6)将常规采集参数论证方法和本文的照明分析方法综合应用于实际海上二维观测系统优化，针对特定勘探目标(陡倾断层)设计灵活变观系统，取得了很好的照明效果，证明了该方法具有广阔的应用前景。