目前,CO₂、CH₄等温室气体的浓度逐年升高,它们所引起的气候变化日趋明显,而对于其源头、分布和汇聚过程,人们的了解仍显不足,因此对大气CO₂柱浓度的分布进行探测,来准确获取全球区域碳“源”碳“汇”十分必要。本文正是围绕着大气CO₂柱浓度高精度监测所需的超高光谱获取技术展开研究,并进行相关系统设计工作。本论文首先对研究背景及意义进行介绍,并说明了目前国内外大气温室气体探测的现状及发展趋势;接着从星载大气成分遥感探测的基本原理出发,介绍了大气成分探测的全过程,包括辐射与大气的交互作用,高光谱遥感仪器获取辐射信息的方式,数据的反演算法等,提出高光谱分辨率探测仪器的遥感探测方式;再从大气CO₂浓度高精度探测的需求出发,对光谱仪器设计的各项指标,包括光谱探测通道、光谱分辨率和光谱采样率、仪器信噪比和相对孔径、探测器件等进行论述,讨论各项指标之间的关系,并阐述其必要性;进行各光谱通道高分辨率CO₂光谱探测系统的设计工作,主要完成了0.765μm,1.606μm和2.06μm三通道系统的光学设计,光谱分辨率分别达到0.044nm,0.08nm和0.1nm,对设计结果进行像质评价与分析,证明设计结果可以满足前述的系统指标要求,并针对1.606μm通道进行原理验证平台搭建的设计工作,包括对光学设计的杂散光与公差分析,电子学系统的设计与实现,以及上位机程序的编写;基于原理验证平台,进行相关试验,包括系统噪声、信噪比的测定,论述现行高光谱分辨率仪器的定标方法,并根据实验室现有条件,提出光谱定标方案,实现光谱获取;最后,瞄准温室气体探测未来的发展方向,设计了一种宽幅探测系统方案,完成其光学设计,并进行像质评价,可以实现200km地面幅宽,3×3km2空间分辨率的高光谱分辨率探测;在论文的结尾部分,对开展的工作进行全面总结和概括,提出一些仍存在的问题,对将来大气CO₂柱浓度的精确监测进行了展望。论文的创新点主要有以下几点:（1）针对系统高分辨率的需求,分析各项指标的影响与必要性,提出了一种基于平面反射光栅的光学系统设计方案,三通道分别可实现0.044,0.08,0.1nm的光谱分辨率,并完成1.6μm通道的样机系统搭建;（2）首次将我国的InGa As探测器应用于超高光谱探测领域,解决精细光谱与焦平面耦合的问题;（3）突破超高光谱分辨率光栅分光技术,开拓性的提出一种基于浸没式衍射光栅的宽幅探测方案,能够在地面幅宽200km下实现0.1nm级光谱分辨率的高光谱温室气体探测。近几年来,高精度的星载CO₂浓度监测技术正逐渐成为各国关注的重点,科学家们也纷纷将其视为研究的热点所在。在我国,仪器中涉及的很多关键器件以及高光谱分辨率探测的研究还处于探索阶段。因此,本论文的研究工作有助于推动我国在星载大气高光谱CO₂浓度探测方向相关技术的研究,具有一定的探索性和创新性,为将来实现全球区域碳“源”碳“汇”的探测奠定了研究基础。