羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要，OH自由基在大气光化学反应中起初始化作用，启动了大气中的整个氧化链。OH自由基浓度变化决定了大气中臭氧浓度的下降，对流层水汽的波动，NOx和CO以及其它温室气体排放的改变以及气候的变化。OH自由基还与极地中层云的形成有着密切的关系，极地中层云可以用来衡量上层大气的稳定性和半球气候的不对称性。精确探测与反演OH自由基浓度，获取高空间分辨率的OH自由基分布对研究温室气体、臭氧浓度变化乃至气候变化具有重要意义。国际上，基于高分辨空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基相关研究已有一定基础，中国在这方面尚处于起步阶段。随着载荷探测技术的进步，能同时获得高垂直分辨率与高空间覆盖范围的在轨临边探测模式应用越来越广泛，针对临边遥感的反演算法也随之发展。在OH自由基探测技术体制和有效载荷发展的同时，其反演方法也不断创新和改进，在一般临边反演算法的基础上，层析反演算法在一定程度上弥补了临边遥感低水平分辨率的缺陷，结合探测仪器的多角度观测数据，能更大程度地还原真实OH自由基空间分布。　　本文以空间外差光谱层析探测仪的仿真和实测OH光谱数据为研究对象，以获取高空间分辨率、超高分辨层析数据立方为目的，在OH自由基太阳共振荧光信号发射机理、辐射传输模型的改进与OH自由基正演模型、基于仪器特性的数据模拟与仿真、OH层析反演算法等方面进行了系统的研究。基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基超高分辨光谱仪对中高层大气OH自由基的太阳共振荧光信号进行探测。该仪器具有两个正交的视场，每一个视场实现了分视场成像。为了获取OH自由基的垂直廓线，本文研究了基于仪器特性，用于中高层大气OH自由基的正演模型与反演算法。根据探测目标特性及探测模式，构建匹配的辐射传输模型，并在此基础上，研究对应的反演算法。进行此类研究需要建立可靠有效的数据源，由于没有合适的实测数据，因此为此建立了一套仿真数据源计算流程，根据空间外差光谱仪的仪器特性，利用辐射传输模型输出的辐亮度结果，进行分视场与正交视场的干涉数据仿真研究。　　论文的主要工作包括以下几个方面:　　1.介绍了OH自由基的探测背景，调研了国内外地基及天基OH自由基探测现状，总结归纳了已有载荷的中高层大气OH自由基的反演算法，提出将多角度探测与层析反演算法结合，从而获得更高的反演精度。　　2.开展了中高层大气OH自由基探测技术机理研究。首先研究中高层大气OH自由基太阳共振荧光信号辐射机制。介绍中高层大气OH自由基超高分辨光谱仪双视场正交及分视场成像机理，研究空间外差光谱仪干涉数据仿真方法及数据处理方法。根据仪器临边观测模式，简单介绍大气临边辐射传输相关理论与大气临边遥感反演算法与层析反演算法。　　3.开展中高层大气OH自由基正演模型研究。基于OH自由基共振荧光信号发射机理，结合分子光谱理论，计算了荧光发射率因子，修正辐射传输模型SCIATRAN，得到用于中高层大气OH自由基的正演模型。利用该模型和MLS的OH2级数据进行一维辐亮度模拟，并针对观测几何、气溶胶参数等进行敏感性分析。为了提供有效可靠的数据源，进行了多维辐亮度模拟及正交视场辐亮度模拟。　　4.进行基于正演模型的数据构建及实验验证。根据空间外差光谱仪仪器特性，将辐射传输模型输出作为输入源，进行分视场成像干涉数据仿真。再根据外场实验，进行辐射传输模型验证与数据仿真算法验证;根据实验室OH探测结果，验证光谱复原与数据仿真算法，同时验证了仪器的探测能力。　　5.开展中高层大气OH自由基反演算法研究。首先对反演数据源（即干涉数据）进行光谱复原预处理，模拟完整数据处理及反演过程。利用先验资料进行反演先验知识构造。分析对比了常用的两种反演迭代方法，研究算法内相关系数对反演结果的影响。层析反演前，先利用另一视场数据对主视场辐亮度数据进行修正，构造了新的二维辐亮度面，代入层析算法中。对层析算法进行误差分析，与一维反演算法进行比对，利用层析反演算法将反演误差中的先验知识带来的不确定度降低，验证了层析算法的可行性，提高了反演精度。　　基于上述研究，论文在以下几方面具有创新之处:　　1.国内首次构建完整中高层大气OH自由基正演模型。　　2.针对中高层大气OH自由基超高分辨光谱仪，建立了完整的干涉数据处理方法与反演算法，并且建立了从辐射传输模型到光谱数据的完整的数据仿真模型。　　3.实现了针对中高层大气OH自由基超高分辨光谱仪的层析反演算法，使反演误差降低至5％以下。