在海上地震勘探中,震源和检波器都位于海平面之下,空气和水层之间较强的反射界面,会产生虚反射。虚反射是一种不可避免的干扰波,虚反射的存在会直接影响地震资料的后续处理和解释工作。在地震记录上最直接的表现就是虚反射同相轴紧跟在一次波同相轴之后;从频率域来看,由于虚反射与一次波的相互干涉产生陷波点,会引起数据的频率成分缺失。陷波点的存在破坏了地震资料的高频低频信息,减小了频带的有效宽度,从而影响地震资料的分辨率和成像精度。针对目前海上地震勘探中存在的虚反射问题,本文从几何地震学的射线原理、波动方程正演模拟和频谱分析等角度,研究了虚反射的运动学、动力学及频谱特征,为虚反射的消除奠定理论基础。然后,根据逆散射级数理论,推导出基于逆散射级数虚反射消除的计算公式,并在频率-波数-波数域实现了虚反射的消除,通过对凹陷模型的试算,证明该方法在消除虚反射方面的有效性。之后,通过对多次波最小二乘匹配相减算法的分析,引入曲波变换理论,分析了曲波域多次波与一次波的特点,设计了相对强度阈值方法,提出一种高精度的多次波相减算法,即多时窗匹配与曲波域多次波相减算法。模型的测试结果可以看出,曲波域多次波消除方法能够较好地保留数据中的一次波,同时可以有效地消除多次波。对水平层状模型以及实际资料进行测试,通过对比消除前后的频谱曲线和自相关函数可以看出,基于逆散射级数的虚反射消除方法能够较好地消除虚反射,曲波域多次波消除方法在多次波预测和匹配精度较高的情况下,对多次波的消除效果较好。