大气气溶胶对地球的环境和气候影响显著,直接或间接地影响着人类的生产生活。开展大气气溶胶特性的高精度探测,不仅对厘清大气污染的成因、演化及传输机制有根本的指导作用,也对系统地研究气候气象有重要的科学意义。高光谱分辨率激光雷达(High-Spectral-ResolutionLidar,HSRL)具有时空分辨率高、理论探测精度准、信噪比强等优点,在气溶胶激光雷达探测领域相比典型的米散射激光雷达和拉曼激光雷达更具优势,也因此成为美国、欧洲、日本和我国竞相研发的星载激光雷达载荷。目前,大气HSRL仍然存在诸多需要攻克的关键技术和难点,围绕的一个核心问题就是“如何使HSRL高精度、稳定地探测大气光学特性”。因此,研制HSRL工程样机,并探索其性能优化方法,进而实现高精度稳定探测大气光学特性的功能,有利于推进未来研制成熟的HSRL仪器并走向广泛应用。本文从建立HSRL仿真模型出发,探究激光雷达探测机理,设计硬件系统参数,探索光谱鉴频器性能优化方法,提出仪器定标方案,开展外场实验观测与结果校验,最终总结出一套针对HSRL系统研制和大气气溶胶观测的全链路解决方案。本文主要研究内容如下:构建了基于蒙特卡罗(MonteCarlo,MC)方法的HSRL多波长多参数分析模型。为实现对HSRL从参数设计到数据反演的全过程验证,提出了激光雷达的系统响应近似模型,明确了系统响应对HSRL参数选择过程的影响,建立了基于MC仿真方法的分析模型。利用该分析模型,重点探讨了光谱鉴频器的鉴频性能及稳定性对反演精度的影响,并分析了通道增益比的波动对反演精度的影响,比较了不同波长下HSRL设计所面临的需求差异,为HSRL的系统参数设计和性能优化提供了重要依据。提出了针对HSRL光谱鉴频器的性能优化方法。鉴于光谱鉴频器的鉴频特性和稳定性能对反演精度的影响巨大,针对视场展宽迈克尔孙干涉仪(Field-WidenedMichelsonInterferometer,FWMI)和碘分子吸收池两类光谱鉴频器分别提出了气压调谐和碘吸收线选择两种优化设计方法。对于鉴频效果不稳定的干涉仪型光谱鉴频器,提出了利用气压调谐FWMI鉴频位置的方法,研制了1064nm气压调谐FWMI光谱鉴频器的原型样机,详细计算了气压调谐结构参数,并通过扫频定标实验与干涉臂长调谐FWMI进行了鉴频性能及稳定性比对,为设计鲁棒的近红外HSRL系统并推广至其他波长铺平了道路。对于在532nm处碘分子吸收池鉴频器具备多条碘吸收线的情况,提出利用带精英决策的快速非支配排序遗传算法直接对多目标规划问题进行求解的方法,比较了不同碘吸收线的鉴频性能优劣,为基于碘分子吸收池鉴频器的HSRL优化设计提供重要指导。提出了HSRL重叠因子定标方法,完善了HSRL参数定标和数据质量评估方案。由于激光雷达系统本身的复杂性,目前在激光雷达测量中很难对所有参数进行绝对的定标校准。为获取准确的激光雷达探测结果,本文从重叠因子定标、收发光轴对准、通道增益比评估、瑞利拟合验证、触发延迟校正、背景噪声测试等方面全面阐述了HSRL的定标校准方法。针对地基激光雷达低空数据极大地受困于重叠因子的问题,本文面向HSRL提出了一种基于迭代优化思想的重叠因子定标方法,将获得结果与双视场HSRL系统探测的重叠因子进行比对,两者的平均相对误差为4.56%,证明可简洁、高效、精确地定标系统重叠因子。探讨了HSRL探测结果校验方法,并对自研HSRL进行了探测数据定量比对校验。本文报道了研制成功的532nm单波长HSRL工程样机和532nm-1064nm双波长HSRL原理性实验系统。两台系统与星载云和气溶胶偏振激光雷达、原位腔衰荡消光仪、微脉冲激光雷达、拉曼激光雷达以及太阳光度计等测量仪器所测结果进行定量比对,结果十分吻合。多种仪器的相互校验充分证明了自研HSRL具备高精度稳定获取大气光学特性的能力。两台系统先后在杭州、舟山和北京等地进行长时间的外场实验探测,通过对探测过程中的数据案例进行具体分析,初步探索了利用双波长气溶胶光学特性进行气溶胶类型识别的方法和应用。