气溶胶、水汽和云是影响全球气候和环境变化的三个重要参量,通过对三个参量时空分布数据的长期积累,可以更好的指导人类如何适应和调控气候变化的趋势,遥感技术（包括天基、空基和地基）是获取长期探测数据的主要手段。对气溶胶、水汽和云参量的遥感需求主要体现在三个方面:获取气溶胶廓线,分析气溶胶、水汽和云之间的相互作用,全球范围探测。目前国内外可实现全球范围大气参量探测的主要手段为天基卫星探测和地基布网探测。天基探测受天气条件和探测模式的影响,很难对同一地点进行长期探测,现有的地面布网探测仪器多为太阳光度计和辐射计,一方面受分辨率的限制不能实现气溶胶廓线的反演,另一方面受探测模式的限制,不能实现多波段同步探测。本文结合现有遥感仪器的优势和不足,提出了一种地基多角度双波段高分辨率同步探测的模式,在分析原理和可行性的基础上,搭建了大气探测光谱仪样机,检验了该大气遥感探测模式的可行性。对气溶胶、水汽和云的同步探测有利于分析它们之间的相互作用,多角度模式有利于获取大气参数中更多的独立信息量,高光谱分辨率有利于得到气溶胶和水汽的廓线信息。本文围绕以上需求,从可行性评估、关键参数分析、光机结构设计、热分析与仿真以及定标和外场测试等方面开展了理论研究与实验验证。本文的主要研究内容如下:（1）大气正演模型和反演理论的研究。通过辐射传输方程介绍了大气探测光谱仪探测大气参数的基本原理,利用反演模拟论证了氧气A带对气溶胶廓线的反演能力,并分析了不同光谱分辨率、杂光抑制及信噪比对仪器反演精度的影响,明确了大气探测光谱仪的关键技术参数。（2）多角度双波段大气探测光谱仪的光机结构设计和热分析。首先基于使用需求和工作模式,开展了多角度前置望远镜和双波段共探测器光谱仪的光学设计,主要解决了包括光谱混叠在内的杂散光抑制问题;然后根据光学系统设计指标并结合装调可行性,对大气探测光谱仪进行了结构设计,主要解决了长跨距光谱仪的温度适应性问题;最后对仪器进行了有限元分析和光学仿真,验证了光机结构设计结果。（3）大气探测光谱仪样机的集成与光谱定标的研究。首先对透射式望远镜系统和反射式光谱仪系统的装调进行研究,样机集成后对光谱分辨率等重要指标进行了初步测试;然后对两个波段的光谱定标进行了研究,针对氧气A带高光谱分辨率的特点,制定了可调谐激光器与波长计联合定标的方案,针对820nm水汽吸收带光谱范围宽的特点,制定了汞灯、超连续谱激光器与单色仪联合定标的方案;最后分析了各光谱通道的光谱响应函数并对中心波长进行拟合,验证了光机系统设计和装调的结果。（4）大气探测光谱仪样机的辐射定标与外场测试的研究。首先对样机的信噪比和响应线性度进行辐射定标研究,利用空间维像元合并的方式解决了信噪比不满足使用需求的问题;然后对定标过程中的不确定因素进行分析,得出样机定标相对不确定度和绝对不确定度;最后对样机进行不同温度环境下的测试,并以低温环境为例,对样机工作的稳定性和光谱位置的漂移量进行测试,验证了大气探测光谱仪样机的研制理论。