中高层大气中含有极少量OH自由基,其含量以及垂直空间分布会影响臭氧层的破坏效应以及半球气候不对称性。我们通常通过高光谱技术实现对大气成分的有效探测,更高的光谱分辨率可以提升探测的灵敏度。空间外差光谱技术可以在相对较窄的谱段范围内获得极高的光谱分辨率,结合层析反演技术,采用视场正交的双通道临边观测方式,还可以获得探测对象的三维空间分布信息。空间外差分视场成像光谱仪采用空间干涉类型的新型超光谱分光方案,利用面阵探测器对所有干涉数据点同时进行采集,可有效降低噪声,并获得成像光谱;干涉仪的光谱复原是利用傅里叶变换将仪器采集的干涉数据从时域转换到频域,依赖于探测器每个像元稳定的光谱响应关系,以及器件级的定标参数;同时,焦平面器件与干涉仪的位形关系也将影响最终获取的光谱信息的真实性。为保证卫星平台对OH自由基三维空间分布的有效观测,需结合仪器方案的技术特点以及在轨工作模式进行光机和电子学系统的针对性设计。本文在对中高层大气OH自由基探测仪的关键技术参数进行定量化研究与分析后,给出相应的光机设计分析与电子学系统设计,然后开展了探测仪相关特性分析与性能优化研究,论文的具体工作包括以下几个方面:1.首先对空间外差同时分视场成像技术进行了研究,讨论了正交观测的技术方案,然后对探测仪的关键技术参数进行定量化研究与分析,明确探测仪应用指标与关键技术参数之间的函数关系,优化探测技术方案,并最终给出相应的光机设计分析与电子学系统设计。2.研究了探测器暗电流对空间外差光谱仪信噪比与动态范围的影响,开展了探测器不同温度对仪器信噪比影响的实验研究,在综合考虑仪器功耗与信噪比后确定了探测器最优的工作温度。3.对仪器探测器装调角度误差和探测仪双通道光谱仪视场配准装调方法展开了研究。建立了空间外差光谱仪探测器装调角度误差模型,分别给出了倾角误差、斜坡误差和旋转误差的误差角度容限值,仿真实验结果表明当倾角误差角度、斜坡误差角度、旋转误差角度分别小于1.21°,1.21°,0.066°时,误差角度可被接受。4.研究了探测器响应参数对空间外差光谱仪光谱复原的影响,针对这些参数设计了探测器筛选实验装置和筛选方法。开展了探测器筛选实验,从备选探测器中筛选出了综合性能最优的探测器。5.针对正交模式下的双通道空间外差光谱仪的视场、光谱分辨率、信噪比等重要参数进行了性能评价,给出了测试方法与测试结果。在此基础上,开展了航空飞行实验,实验结果表明该仪器可应用于中高层大气OH自由基探测。