针对大气二氧化碳高精度反演对卫星载荷测量技术的极高要求，通过与传统的色散型和干涉型光谱测量技术的比较，介绍了一种新型的超光谱测量技术即空间外差光谱技术。依据航天条件下的载荷技术需求，较详细地介绍了探测原理和仪器结构，展示了这种技术获取超光谱分辨率和高信噪比数据的能力，以及小体积、轻质量和低功率等在航天环境下的重要技术优势。在此基础上，利用本所自主研制的原理样机进行了大气二氧化碳探测实验，结果表明其观测数据精度能够良好地应用于二氧化碳反演，其探测结果与日本碳嗅卫星(GOSAT)观测结果相一致，说明空间外差技术具有应用于卫星对地探测大气二氧化碳的能力。

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体，其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响，是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率，其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感，而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求，从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响，并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法，该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高，达到或接近1%的精度需求，反演结果的相关性和数据离散度也得到改善，这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。

应用于大气CO2高精度探测的超光谱分辨率空间外差光谱仪，采用面阵探测器同时采集二维干涉数据。针对面阵探测器响应同时存在的非均匀性和非线性，分别分析了其对干涉数据及复原光谱的影响，指出在相同的探测器非均匀性噪声下，光谱分辨率越高复原光谱噪声越大；而非线性不但对有效光谱范围内光谱复原精度有影响，还会产生光谱截止频率外的非零值。阐述了一种多能量等级均匀辐射源的非线性及单一均匀辐射源非均匀性同时校正算法。开展了探测器响应校正实验。探测器数据校正后非均匀性从4.04%降至0.14%；干涉数据校正后复原的光谱平滑，大大降低了非均匀噪声，校正后光谱截止频率之外数据基本为零，去除了非线性影响。

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点，分析了定标原理及要求，确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法，搭建了定标系统，实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标，并对定标的不确定度进行了分析，得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015 cm-1，辐射定标不确定度为4.02%，满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证，结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确，辐射亮度吻合理想，为CO2的定量反演奠定了基础。

二氧化碳(CO2)高精度反演中易受多种因素的影响，其中一部分是系统误差，如温度廓线、压力廓线、水汽以及大气分层等精度不足所带来的影响，仅利用CO2吸收带的光谱信息很难克服由此带来的误差。这种系统误差的波长依赖性小，可以考虑其他波段进行校正。模拟研究表明，上述系统误差对CO2反演的影响经O2校正后有较大程度地减小。利用大兴安岭地区的温室气体观测卫星(GOSAT)观测数据进行CO2反演，采用氧气(O2 )A吸收带校正上述系统误差，结果显示反演精度得到明显提高。

近红外波段空基大气CO2反演是一个病态问题, 地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一。 针对大气CO2高精度反演的需求, 研究了地表反射率两大不确定性因素对大气CO2反演的影响程度, 提出了比值光谱法对这种影响进行校正。 比值光谱法中CO2无吸收通道(off-line)的选择至关重要, 通过比较和分析多种off-line通道的选择方法, 发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势, 获得的off-line通道对应的反演精度最高, 而且离散程度也小。 比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的off-line通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果, 有利于大气CO2反演精度的提高。