本发明是石油物探面向目标层的观测系统优化设计方法，通过三维地质模型和地震波照明分析，确定常规观测系统在目标区域的照明弱区，利用从照明弱区传播到地表的射线振幅密度图寻找有利于目标区域照明的炮点分布位置，然后设计扩展观测系统，根据扩展观测系统中每炮在目标区域的照明度分布计算炮的权因子，综合权因子，优选出能增强目标区域照明效果的炮，和常规观测系统组合优化观测系统。优化的观测系统符合野外生产要求，能在使用最少扩展炮的情况下提高目标层阴影区域的照明效果，使目标层的地震波能量尽可能均匀分布，为叠前深度偏移处理提供良好的地震数据。