大气温度和湿度是非常重要的气象参数,微波辐射计是探测大气温度和湿度的重要技术手段。对于大气温度和湿度廓线的垂直探测而言,探测通道数与频谱分辨率和垂直分辨率相关。为提高大气探测的垂直分辨率,近年来利用高光谱技术增加微波辐射计的频率探测通道数量,从而获取更高频谱分辨率和垂直分辨率。该技术在微波大气临边探测,尤其是窄带痕量气体探测中也有很重要的应用价值。该体制的微波辐射计后端可采用不同形式的技术手段实现,例如滤波器组、数字频谱仪(其中包括快速傅里叶变换频谱仪和自相关频谱仪)、线性调频脉冲频谱仪、声光谱仪等。本文通过比较分析国内外高光谱微波辐射计技术体制,提出了一种高光谱微波大气温度探测辐射计系统设计方案,能够提高微波辐射计的频谱分辨率和大气探测垂直分辨率,并具有系统小型化、降低系统复杂度、提高接收机后端通用性等特点。完成了高光谱微波大气温度探测辐射计系统方案设计和关键技术的研究,搭建了原理实验系统并开展了初步的大气温度探测实验。本论文的主要研究内容和创新性工作包括:首先,通过对微波大气温度探测辐射计进行分析研究,提出了一种基于FPGA和频谱分析技术的高光谱微波大气温度探测辐射计系统设计方案,该方案采用50-60GHz单通道宽带接收机二次变频技术,通道输出带宽2GHz,通过本振跳频实现10GHz(50-60GHz)宽带大气探测。接收机后端采用宽带数字采样和现场可编程门阵列(FPGA)技术,实现频谱分析功能。传统的大气温度探测辐射计通常采用超外差接收机,利用梳状滤波器组实现5-13个模拟接收通道和模拟检波,采用低频数字采样技术实现大气探测功能,探测通道数少,频谱分辨率和垂直分辨率低。本文提出的系统方案为单通道宽带接收机,降低了系统复杂度;结合宽带数字采样和频谱分析技术,在50-60GHz频率范围内实现了10MHz的频谱分辨率,可以提高探测的垂直分辨率,且探测通道数可调、灵活性好。其次,突破了高光谱微波大气温度探测辐射计后端宽带高速数字采样和FPGA频谱分析的关键技术,研制完成了50-60GHz宽带接收机。高光谱微波大气温度探测辐射计高速后端数字系统通过数据采集板和控制传输板间的协同工作实现频谱分析功能,具有输入信号频带宽、信号速度快、信号线多、走线复杂的特点。在硬件实现中采用可调模拟延时芯片保证同步信号间延时可调,采用多层布线的方法减小布线难度和线间串扰,严格执等长走线,确保差分信号的同步,为高速数字信号处理模块准备了数据。再次,本文提出了一种基于FPGA的多通道高速数字频谱分析算法解决FPGA中处理并行多输入高速数据的困难。该算法将传统多相滤波器结构的单通道输入输出结构改进为并行多通道输入输出,解决并行多输入的问题,且可调整自身结构实现输出数据速率的调整,从而适应FPGA内部不同处理速率的要求。本文中多相滤波器结构并行输出8路156.25MHz数据,满足FPGA内部处理数据速率的要求。在此基础上,与并行快速傅里叶变换算法和N点复数计算2N点实数的傅里叶变换算法相结合,实现8路并行输入信号的功率谱获取。该算法能适应FPGA内部不同处理速率的要求,为实现更高速率更多通道的数字谱仪提供了参考。最后,搭建了高光谱微波大气温度探测辐射计实验系统,并开展了初步的大气温度探测实验,获取了50-60GHz大气氧气吸收谱的亮温分布曲线,与V波段冬季晴空条件下的大气亮温仿真结果基本一致,在50-55GHz处呈现上升趋势,在55-60GHz处趋于平坦,并给出了实验结果误差分析。