随着地震勘探目标逐渐向深层复杂构造岩性油气藏发展,所获地震资料的信噪比、分辨率低,有效信号堙没于强噪音背景下难以识别,常规数据处理中的去噪技术与方法已不适用于强噪音背景下地震数据弱信号的处理,低信噪比的弱信号处理要求是合理有效的去噪但不影响幅值较弱信号的识别与提取。因此需要在常规地震数据去噪方法基础上开发新的去噪方法用于强噪音背景下地震弱信号的识别与提取。本文根据地震信号的非线性与非平稳特征,适合使用时频分析方法进行处理的特点,通过对比分析了传统时频分析方法与S变换、广义S变换对非平稳信号处理的适用性,表明S变换及其广义S变换具有更好的时频聚集性,更加适用于地震数据弱信号处理。针对S变换时频分析窗函数随着分析信号频率的增大固定减小变化趋势的不足,引入混合控制高斯窗函数的优化S变换,这一优化S变换相比于常规广义S变换具有良好的时频聚焦性。基于这一优化广义S变换发展了一系列地震数据弱信号识别处理方法,分别给出了基于广义S变换的时频域地震弱信号识别算法、基于广义S变换与高斯平滑的自适应地震弱信号识别方法、联合广义S变换与CEEMD的地震弱信号提取方法和联合广义S变换与TT变换的面波压制方法的基本原理与计算流程。通过时变信号、合成地震记录与实际地震数据测试分析,证明了这一系列方法适用于地震数据弱信号处理,具有较好的强噪声背景下有效弱信号的识别与提取能力。最后针对这一系列方法在处理低信噪比地震数据弱信号时存在的不足,分别也给出了不同算法有待完善的不同优化解决方法。