随着我国勘探区域的逐渐扩大,油气勘探目标逐渐转向复杂构造、地层和岩性圈闭油气藏,勘探目的层从中浅层转向深层或超深层,对地震资料处理技术要求越来越高。深层地质条件复杂,地震资料的深部有效信号能量较弱,空间假频现象严重,通过提高地震资料的规则性、信噪比、分辨率和保真度,可以为后续偏移成像、全波形反演及地震资料解释提供可靠的数据保障,从而利于判断目标油气藏情况。近年来兴起的压缩感知理论打破了传统Nyquist采样理念,利用信号的稀疏性或可压缩性,通过对正则化反演问题的求解实现信号的精确重构。该理论提出以来,一些地球物理学者对其在油气勘探领域进行了较为广泛的研究。复杂地质构造导致深反射地震剖面上波场特征复杂、有效信号相对较弱,而现有的重构和去噪方法难以得到高品质的有效信号,论文基于压缩感知理论,发展了面向复杂构造地震数据重构以及弱信号提取与增强的算法,具体研究内容为以下几个方面:首先,复杂的地质构造导致深反射地震剖面上的波场特征复杂,采用固定基函数、各种字典简单的线性组合或者超完备字典集合不能最有效地表征数据的内部结构特征。在形态分量分析(Morphological Component Analysis,MCA)理论与压缩感知理论的基础上,根据深层地震数据在各个稀疏域的稀疏性,本文提出了加权MCA稀疏表达方式,通过先验信息约束各种稀疏变换字典在其稀疏表征中的权重,实现了对复杂构造的地震数据的最稀疏描述,结合相应的阈值函数和迭代算法实现了对深层地震数据的规则化重构,提高了不规则复杂构造地震数据的重构质量。其次,针对深部有效弱信号和噪声干扰频带差异较小且难以区分的问题,在压缩感知理论的基础上,提出了面向OVT(Offset Vector Tile,炮检距向量片)域弱信号提取方法,利用与噪声强度相关的信息约束反演过程,克服其对信号稀疏度的依赖,实现了弱信号的有效提取。引入CEEMD方法根据信号本身的特征信息对信号进行模态分解,再通过互相关分析确定含噪声较多的分量,对其进行CS去噪,在去噪过程中引入增强算子,保证增强有效信息的同时噪声不被增强,进一步提高了中深层弱信号的提取效果。最后,低频信息能够反映地层的基本走向,提高速度分析精度和深层构造的成像精度,基于压缩感知理论的地震数据低频补偿方法能够对低频成分进行合理补偿,从而改善资料品质,但该方法受噪声影响较大,本文综合利用测井数据,通过井资料约束反射系数的反演过程,提高了反演过程的抗噪声干扰能力,改善了低频信息的补偿效果,进而使中深层地震数据中的弱有效信号得到增强。压缩感知理论在提高地震资料品质方面发挥了重要作用。文中通过数值实验和实际资料测试,验证了本文所提方法的正确性和有效性,为提高地震资料的规则性、信噪比和保真度提供了新的思路。