高空气象探测在揭示大气结构、建立大气科学理论、提高天气预报准确率上起着重要作用。本文以提高高空气象探测系统的检测精度、减小测量误差、降低制造成本、增强国产高空气象探测系统的国际竞争力为目的，从高空气象探测系统敏感单元设计、检测方法、数据处理与融合等方面对高空气象探测系统关键技术进行了较系统的研究，并设计了高空气象探测系统，从而验证本文研究的关键技术的科学性及可行性。主要完成了以下五个方面的工作：1．为了验证本文研究的高空气象探测系统关键技术的有效性与科学性，依据高空气象探测的要求和技术特点，设计了基于GPRS数据传输和微波数据传输两种通信模式的高空气象探测系统。分析了地面静态实验过程中数据处理方法与静态特性参数的计算方法，研究了地面及高空动态实验方法，并设计了地面动态实验装置。2．针对高空低温、高湿恶劣环境下湿度传感器容易结露，造成湿度测量误差偏大，甚至导致传感器失效的问题，研究了一种具有蛇形加热器的平板夹心电容式湿度传感器结构及工艺制备方法。通过对传感器进行有限元分析，确定传感器表面加热区域温度分布情况，得出环境温度、加热功率与加热温度三者之间的函数关系。采用4支湿度传感器构建测量阵列，免除了由于高空恶劣环境对湿度传感器造成损坏导致探测失败的问题，提高了湿度探测的容错性和互补性。3．针对高空环境下湿度波动大、电路板分布电容会对测量结果有影响等问题，将电容充放电测量方法及电容比较法相结合，设计了湿度测量电路。研究了一种基于加权平均及分批估计的多传感器数据融合算法，与目前常用的算数平均数据处理方法相比，该方法具有较强的容错性及互补性的同时，也具有较好的实时性。在常温条件下开展了地面测量特性实验，得出湿度传感器静态性能及时间常数。在低温条件下加热湿度传感器，进行湿度测量特性分析，得出了低温环境下湿度传感器性能，建立了高空湿度测量模式。4．针对目前高空温度探测存在响应时间过长的问题，设计了直径为2.5μm铂电阻丝作为温度传感器。结合传感器特点，研究了交流比较法温度测量方法，消除了零点漂移及温度漂移，解决了由于电路板走线引起的温度传感器基值偏大的问题。采用谐波分析法对温度数据进行处理，滤除A/D产生的量化噪声，减小了高空环境下高频噪声及高斯白噪声的影响，并通过MATLAB对该方法进行仿真，论证了谐波分析法的有效性，建立了高空温度测量模式。5．开展了单个探空仪的放飞实验，验证系统高空环境下的测量性能和电气性能；开展了多个探空仪同时放飞实验，验证系统的一致性；开展了与维萨拉RS92探空仪比对实验，验证了本文研究的高空气象探测系统符合国家气象探测网和世界气象组织的相关要求，本文的研究成果为下一步工程化应用奠定了技术基础。