在海洋地震数据采集中,鬼波是不可避免的。由于海水-空气界面为强反射界面,检波器接收到的波场是由来自地下介质的上行一次波与海表面反射的下行鬼波干涉组成的。鬼波的存在使上行一次波波形畸变,产生陷波效应,损伤有效频带,降低地震资料的纵向分辨率。传统海洋地震资料处理的思想视鬼波为一种相干噪声,需要在偏移成像前进行压制。随着处理技术革新和认知提升,人们意识到地震处理中的“噪声”(如:绕射波、多次波等)中包含丰富的地下介质信息,如果将其利用在偏移过程中能提升成像质量,降低后续数据反演、解释的难度。近年来,人们采用多次波作为常规一次反射波偏移的补充以扩大照明范围解决陡倾角、岩体覆盖等复杂构造成像问题。但利用鬼波提升成像质量的研究还没开展,在拖缆型观测系统中,鬼波与上行一次波时差较小,波形相似,分离后可视为有效信息。因此,论文开展了对海洋拖缆记录鬼波利用方法的相关研究。论文从二维资料鬼波分离出发,研究了二维拖缆记录的鬼波分离方法,并考虑实际应用和分离效果,研究了多炮集快速鬼波分离方法和Radon域三维稀疏约束反演方法。然后将二维分离算法推广至三维,研究了三维地震资料数据规则化方法和鬼波压制算法。最后研究了利用鬼波提升逆时偏移成像质量的潜力。首先,本文研究了鬼波的产生机制,并分析了沉放深度、衰减系数、偏移距等因素对上行一次波的影响。然后回顾了不同数据域(频率域、频率-波数域、线性Radon域)鬼波压制方法,分析了各方法的优劣。考虑到实际生产的时效性,推导了伪三维鬼波时延公式,提出了多炮集鬼波分离策略,并引入了Radon域三维稀疏约束反演方法提升反演精度,避免反演过程陷入局部极小值。模拟数据和实际资料均验证了算法的有效性。该策略将二维多炮集记录重排至一个三维数据体中,利用拖缆记录偏移距信息的一致性,简化鬼波延迟时间计算和多炮集反演过程,实现多炮集同时反演;同时引入稀疏约束反演方法,将数据二次映射至三维稀疏变换域,利用稀疏变换突出连续信号的特点,在稀疏性更好的空间进行反演求解。与传统二维鬼波分离方法相比,伪三维鬼波分离方法可实现多炮同时反演,计算时间与常规方法计算单个炮集时间相近,大大提升了运算效率。同时将偏移距方向信息包含在反演当中,避免了反演过程陷入局部极小值,提升了反演的精度。其次,本文将二维鬼波分离方法推广至三维,介绍了基于稀疏变换的三维地震记录的数据规则化方法并在其重建过程引入三维Radon变换加快收敛速度提升重建精度,得到联络测线方向密集采样的地震记录。然后,研究了三维地震记录的鬼波分离方法,通过推广三维鬼波传播模型,将鬼波算子改写为主对角占优的元胞数组形式,使三维条件下鬼波传播仍以矩阵相乘的形式表示,利用大规模反演算法估计不含鬼波的上行一次波数据。模拟数据和实际资料均验证了算法的有效性。最后,考虑到浅沉放拖缆数据的延迟时间在偏移距方向变化小,提出了基于峰值振幅因数的鬼波三维快速鬼波分离方法。根据三维数据的运动学特征,对数据进行预动校正,引入三维抛物线Radon变换对三维数据进行稀疏表示,在搜索范围内提取峰值振幅因数最大值对应的鬼波延迟时间,并构建鬼波分离算子,利用更新算子进行鬼波分离。该方法克服传统三维鬼波分离算法计算效率低的缺点,有利于三维鬼波分离方法的实际应用。最后,论文研究了鬼波在逆时偏移成像中的应用前景。通过对比互相关成像条件与激发振幅成像条件,认识到互相关成像条件应用广泛,能提供稳定的成像结果,但计算效率低,不利于工业生产的应用;激发振幅成像条件计算效率高,且成像值与反射系数有关,可为后续偏移速度分析等处理提供参考,但存在部分构造成像模糊的问题。综合考虑计算效率和成像结果,提出了鬼波约束的激发振幅成像条件。根据鬼波与一次波的延迟时间确定成像区间,将成像点时刻叠加范围内的所有成像值进行叠加,补偿模糊成像的问题。通过部分Marmousi模型成像实验,验证了该方法对常规激发振幅成像条件成像质量的提升,改进的激发振幅成像条件权衡了成像质量和运算效率,在工业生产中更具优势。本文提出的方法大都结合压缩感知思想,通过稀疏变换(小波变换、曲波变换、Radon变换等)将数据映射至稀疏度更高的模型空间进行处理。在变换域中,强振幅系数表示有用信息,弱振幅系数表示噪声、假象等冗余信息,利用一范数对模型空间系数进行稀疏约束可避免处理过程中噪声干扰。模拟实验与实际资料均验证了结合压缩感知进行资料处理的优势。在实际地震数据处理中,输入数据的质量很大程度决定了最终处理结果,利用稀疏变换能有效提高算法稳定性,在实际地震数据处理中具有广泛的应用前景。