激光外差光谱探测技术在整层大气气体分子的精细谱线测量中,因具有高光谱分辨率、高信噪比和易集成等特点而备受关注并得到应用。目前,已建立了一系列中红外激光外差光谱测量系统,实际测量了 CO2、CH4等典型温室气体吸收谱线,并在此基础上,开展了气体浓度的反演研究。针对短波红外光电系统工程应用需求,现有激光外差光谱测量系统在测量波段、测量速度、光谱分辨率、信噪比等方面均难以满足实际要求。此外,现有系统性能的测量方法不够完善,仪器线型函数、最小可探测能量等参数难以直接测量;同时,系统集成度和稳定性不高,数据现场实时处理分析能力有限。针对上述问题,本文对激光外差光谱探测系统的集成建立、性能提升、信号处理和优化等进行了深入研究,并基于测量系统获取的高分辨率光谱数据开展了典型温室气体柱浓度及高度廓线分布的反演,获得的主要成果如下:1、建立了近红外波段解调式光纤结构激光外差光谱测量系统,以1.3 μm波段半导体激光器为本振光源,采用光纤结构和平衡探测方式,有效提高了光路传输效率并抑制了系统噪声,光谱分辨率、实测信噪比分别达到了 0.009 cm-1和120。利用该测量系统,获得了合肥地区H2O高分辨率吸收光谱数据,同步反演获取了整层大气透过率、H2O柱浓度和高度廓线分布。柱浓度反演结果与商用傅里叶变换光谱仪EM27/SUN反演结果最大相对偏差为13.5%。2、采用非解调式外差信号处理方式,优化建立了近红外非解调式光纤结构激光外差光谱测量系统,有效提升了系统响应速度和信噪比,光谱分辨率、实测信噪比分别达到了 0.006 cm-1和300。解调式系统6 min采集6次,信噪比为58,而非解调式系统2 min即可采集6000次,且信噪比为103。利用该系统测量获得了合肥地区CH4的高分辨率吸收谱线,并同步反演了整层大气透过率及CH4的柱浓度和高度廓线分布。3、建立了自由空间光路中红外波段激光外差光谱测量系统,以带间级联激光器为本振光源,采用自由空间光路结构,利用抛物面镜优化光束质量,有效改善了光斑匹配效果,提升了外差探测效率,光谱分辨率和信噪比达到了气体分子高度廓线分布的反演要求。利用该系统测量获得了合肥、格尔木地区的H2O、HDO、CO2和O3高分辨率吸收光谱,并反演了气体柱浓度和高度廓线分布。通过本文的研究工作,有效提高了激光外差光谱测量系统的光谱分辨率、信噪比和测量速度,气体分子柱浓度和高度廓线分布的反演精度得到提升。非解调式信号处理方式为建立快速响应的小型化激光外差光谱测量系统提供了参考和依据。