工业革命以来,随着化石燃料的大量燃烧和人类活动对土地利用的改变,二氧化碳（CO₂）等温室气体的浓度急剧增加,破坏了原有的地球能量收支平衡,成为影响全球气候的关键因素。IPCC综合评估报告指出,大气CO₂由于浓度相对较高,对全球正辐射强迫起主要贡献作用[1]。然而,目前的碳收支研究表明,CO₂流量的估计模型仍然具有很大的不确定性,人类活动排放的CO₂仍有一大部分去向不明,且陆地植被碳汇的时空不确定性仍然较大[2,3]。因此,对CO₂浓度变化的全天时、大空间尺度的高精度监测,对于全球碳收支平衡计算、气候预测具有重要的科学意义,对制定合理的节能减排政策,提升国家环境外交的主动权也具有重要的战略意义。传统的地基观测多采用现场采样的测量方式,如美国国家海洋和大气管理局NOAA组织的全球碳观测网络。虽然可以实现高精度的测量,但测量范围局限于采样位置附近,难以实现大空间尺度的测量要求[4]。星载遥感技术可以快速获取大范围的遥测数据,能够实现全球CO₂的连续观测,得到了广泛的关注。欧美等发达国家陆续开展了针对CO₂等温室气体的星载高光谱观测技术研究,如欧空局的大气吸收光谱扫描成像仪SCIAMACHY[5]、日本的温室气体探测卫星GOSAT[6]及美国国家航空航天局（NASA）的轨道碳观测计划OCO-2[7]等,在太阳直射区无云的条件下实现了较好的探测结果。随着我国风云卫星的发展,也逐渐具备CO₂等温室气体的探测能力[8]。然而,被动遥感依赖于太阳光,无法实现全天时的观测,在太阳高度角较大的区域信噪比较差,难以实现较好的探测反演,而且容易受到云-气溶胶的影响,CO₂的测量结果准确性难以进一步提高。基于Integrated Path Differential Absorption Lidar（IPDA-Lidar）的主动探测方式,通过在极短的时间间隔Δτ内,依次发射两束或多束波长相近的脉冲激光,分别位于CO₂吸收线峰及边翼位置,通过探测漫反射合作目标的回波信号差异可以探测痕量气体的浓度信息,是公认最具潜力的下一代星载嗅碳技术[9]。IPDA-Lidar采用方向性好的激光做为主动光源,不受云-气溶胶散射的多路径影响,可以实现全天时、全球范围的高精度探测需求。美国NASA及欧空局分别依托ASCENDS计划[10]、A-SCOPE计划[11]已经展开了大量的研究工作,我国也适时提出了发展自主知识产权的IPDA-Lidar嗅碳试验卫星[12]。然而,由于大气温度和压力随着高度的上升都会产生变化,导致CO₂的吸收线存在不同程度的压力展宽,且受到其他吸收气体的耦合影响,同时探测波长多集中在近红外区（如1.57μm,2.0μm）,使得系统的设计优化及反演等存在着更多的挑战[13]。鉴于此,我们展开了星载CO₂差分吸收激光雷达的前期预研工作,本报告将予以讨论:（1）星载IPDA-Lidar误差分析理论,探讨系统设计方案的误差分配,阐述IPDA-Lidar的系统设计优化方法;（2）基于HITRAN2012数据库及NASA A-Train序列等地球观测卫星数据（地表反照率、温度、压强廓线等）,建立星载IPDA-Lidar回波仿真模型,评估星载IPDA-Lidar CO₂探测精度的时空分布特点;（3）探讨星载IPDA-Lidar CO₂混合比高精度反演算法,为我国嗅碳激光雷达卫星数据产品研发提供前期技术预研。