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大气临边探测是一种新的大气观测方式,它既具有天底观测方式的高空间覆盖范围,同时又具有掩星观测方式的高垂直分辨率,可有效监测臭氧、气溶胶浓度、温室效应示踪气体以及在对流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体（如:NO2、BrO、OClO和SO2）的全球分布。但是,我国在轨运行的各类卫星还没有装载能得到各种大气成分的临边探测仪,国内相关的研究刚刚起步。本文总结并阐述当代微波临边探测仪采用的技术手段及其发展情况,设计一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪（MLS-UTLS）,对118GHz天线性能进行了仿真,完成了基于FPGA技术的数字自相关谱仪的方案设计,为后续研究提供技术先导。在基础理论方面,本文总结并阐述了大气辐射传输一般理论和分子光谱学,介绍了目前临边探测频带选取时一般程序。分析了临边观测方式的几何、观测状态对系统垂直分辨率影响、系统灵敏度、观测高度的上限与下限,并且介绍了国外已发展的临边探测仪系统设计原理和方法,总结比较了各自的性能指标。分析总结了当代微波临边探测仪常使用的系统设计技术,包括准光学理论、频率选择表面的原理和设计方法、极化分离线栅应用考虑、卡塞格伦天线结构分析、馈源设计要求、混频器发展、超导混频器常配合使用的制冷机技术发展以及频谱仪的发展。参考已有系统,继承以往优秀的经验,设计了一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪（MLS -UTLS）,用以探测对流层顶部和平流层底部的大气辐射吸收亮温,反演出大气温度、气压、湿度及微量和痕量气体成分的密度及其分布变化。本文提出了MLS-UTLS系统的探测频带、对应的探测目标、系统灵敏度、垂直分辨率、频率分辨率等系统指标。利用TICAR公司的Grasp 9软件分析了卡式天线在118GHz的天线方向图和天线辐射效率。采用准光学器件极化栅网、频率选择表面分离从转换镜传输过来的辐射信号。折叠式法布里-珀罗环形谐振功分器实现辐射信号与本振信号的混合,并将他们馈入至辐射计的混频器中。常温肖特基二极管混频器实现辐射信号下变频。设计了二次中频转换模块,包括一级中频信号的频带分离模块、二级本振信号产生模块和二次下变频器,给出了详细的设计框图。经过二次变频后,将信号变换到中心频率统一为900MHz、带宽为1300MHz的中频信号。后端频谱分析仪由滤波器组结构和数字自相关频谱仪相结合的方式实现,采用四种不同带宽、不同分辨率的滤波器组实现频谱分析,以覆盖不同海拔范围。并且以表格的形式给出了各滤波器组对应的探测成分和其实现方式。最后对本振产生子系统选择、系统的数控单元功能要求和系统定标流程进行了相关考虑。最后介绍了利用数字自相关原理进行频谱检测的方法,采用FPGA技术设计了一个自相关频谱仪,分析带宽12.5MHz,频谱分辨率为0.15MHz。自相关频谱仪由ADC器件、核心控制单元、乒乓RAM数据缓冲模块、累加器模块、FFT模块和求模运算模块组成。使用流水线和乒乓RAM分时存储、读取数据,能够连续不断地对A/D采集数据进行缓冲处理,并有效地减少系统运算时间。给出了自相关频谱仪的结构框图,详细介绍了各模块的实现,并在ISE环境中对各模块进行功能仿真。