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在全球变暖的趋势下，大气中温室气体浓度的增加对地面能量收支及全球气候变化有着非常重要的影响。大气CO2/CH4作为重要温室气体，其空间分布和源汇变化对气候预测及人类生产生活影响重大。我国作为碳排放大国，对温室气体的监测起步较晚，为了提高我国在碳政治和碳交易谈判中的话语权，开展高灵敏度温室气体监测方法研究，开发小型化监测仪器显得十分迫切。 CO2/CH4的主要源和汇都分布在对流层中，在区域尺度及月平均上对流层内的CO2/CH4水平梯度信息能够保留地面源和汇的分布特征，本文正是基于这一特性开展了关于对流层CO2/CH4廓线探测的研究。在进行廓线探测时，传统监测手段未考虑浓度的温度和压力修正，不能满足CO2/CH4浓度反演精度要求，可调谐二极管吸收光谱(TDLAS)技术具有高灵敏、高分辨率和快速响应的特点，可以实现对探测浓度的温度压力修正。本文基于TDLAS技术研制了高灵敏度小型化温室气体监测系统，可以满足地面或球载温室气体探测需求。 针对球载实验对系统测量精度、响应速度及环境适应性的要求，设计了小型化的气体浓度测量系统;针对廓线探测系统在上升过程中温度迅速下降引起的激光波长漂移问题，研制了高稳定性激光器驱动模块及温度闭环反馈控制电子学系统，当环境温度在0～60℃变化时，激光器波长漂移量从近80pm降低到4pm;使用PWM波积分法生成偏移和幅值可调的高线性度激光器扫描波形，解决了量化噪声引起的光谱反演精度的问题;在弱信号处理中，针对大气环境中CO2/CH4的吸收强度差异较大的问题，设计了基于积分吸光度和导数光谱方法;针对球载实验上升过程中压力和温度变化引起的光谱反演误差，提出了温度压力修正方案，为了准确获得浓度廓线，集成了温度传感器、GPS和SD卡存储模块。 研制的小型化系统在实验室完成了性能验证实验，并和LI-7500、Picarro进行了性能对比实验，验证了数据可靠性。在内蒙古完成了球载CO2廓线探测实验，得到了10km以下的CO2浓度廓线，验证了研制的小型化系统用于球载温室气体廓线探测的可行性。