获得准确的地震波传播速度是地震资料处理中的重要环节之一,速度参数的精准性对高精度地震偏移成像的刻画起到了至关重要的作用。常规确定速度参数的方法有速度谱扫描、射线走时层析技术等。然而,上述常规方法只能得到一个粗略的速度模型,影响了偏移成像的精度。全波形反演是基于双程波动方程,通过匹配接收记录中的全波形数据重建地下参数的方法,该方法能重建出高精度的速度模型。但是,全波形反演是一个计算量巨大、高度病态的非线性反问题。尤其需要高精度高效率的波场模拟和富含低频信息的初始速度模型。针对高精度波场模拟问题,本文首先从波场模拟的精度和效率出发,推导了基于双程波动方程的高阶有限差分的差分系数;分析了波场模拟中的稳定性条件和频散关系;为消除由于人工截断而引起的边界反射问题,对比分析了Clayton吸收边界和完全匹配吸收(PML)边界的吸收效果;研究了基于GPU/CPU并行加速的波场模拟策略,再经存储器和归约算法优化后,大幅度的提升了全波形反演算法的计算效率。全波形反演的梯度计算需要求取所有时刻的瞬时震源波场和伴随反传的检波点波场,存储量巨大。为降低波场存储量,本文研究了仅存储部分震源波场的波场重建策略,与存储所有震源波场相比该策略可有效降低百分之九十的存储需求,缓解了全波形反演算法中波场存储的巨大压力;为了缓解地震资料中低频信息的不足的问题,研究了一种基于时间二阶积分的全波形反演策略。该策略能有效地提高地震资料中的低频信息比重。在一定程度上避免了由于初始模型不准确引起的周波跳跃现象,改善了速度反演的精度,并利用Marmousci2模型证明了该方法的正确性;最后利用了多组数值实验,验证了初始模型、震源子波、观测方式等敏感性因素对全波形反演结果的影响。