二氧化碳和甲烷是大气中重要的温室气体,也是气候变化的主要驱动因素。人类活动和人为排放是大气温室气体含量增加的主要原因,尽管温室气体的建模和观测能力取得了很大的进展,但大气、陆地和海洋之间碳循环过程尚未得到充分的了解,对全球气候变化的预测还存在着相当大的不确定性。近年来,监控大气温室气体垂直廓线分布的仪器主要为高分辨率傅里叶变换光谱仪,但其存在系统复杂、体积庞大、价格昂贵、维护成本过高,难以普遍使用等缺点。因此选择具有体积小、光谱分辨率高、易集成等优点的地基激光外差光谱辐射计(LHR)。该系统已用于多种气体的遥感探测,满足了广泛需求。论文围绕大气温室气体柱浓度和垂直廓线反演算法及波长调制激光外差光谱技术开展研究。论文的主要工作及成果为:(1)编写了一套基于高分辨率激光外差光谱温室气体CO2和CH4柱浓度及廓线反演算法,并建立了系统测量误差的近似评估方法。通过近9个月的实验观测,测得XCH4的标准偏差为3～17ppb,XCO2的标准偏差为0.7～2.2ppm,对应的相对测量精度范围分别为XCH4 0.15%～0.7%和XCO2 0.17%～0.5%,测量结果与同期GOSAT数据进行了对比,两者变化趋势一致。(2)开展了波长调制激光外差光谱和频分复用波长调制激光外差光谱技术研究。与传统LHR相比,WM-LHR系统中CH4(1.653 μm)的系统信噪比提高了 1.31倍。为了满足多组分同时探测,将频分复用技术应用于WM-LHR,利用单个探测通道实现了大气CH4和CO2的同时探测。此外,还研究了不同调制频率对外差信号的影响。(3)搭建了一套全数字化、全光纤化的近红外免标定波长调制激光外差辐射计(CF-WM-LHR),用于测量大气CH4柱浓度。该系统采用了基于LabVIEW设计的软件信号发生器和软件数字锁相放大器。通过对比软件数字锁相的解调结果与SR830数字锁相放大器的解调结果,验证了软件数字锁相放大器的性能,并且利用该软件数字锁相放大器同时解调,得到了 WM-LHR信号的1f、2f、2f/1f信号,验证了 CF-WM-LHR系统的可行性,并给出了波长调制激光外差光谱技术的迭代反演方案。