大气温度与水汽的实时探测非常重要,因此对大气温度和水汽探测激光雷达系统的研究具有重要的应用价值和科学意义。本文的研究主要分为三篇。　　 第一篇系综述部分。叙述了激光雷达大气遥感基本原理和系统结构,简述了激光雷达应用发展趋势。对大气层温度的分布特征和水汽的含量描述进行了概述,并介绍了它们的常见探测方法。总结了大气温度和水汽的各种激光雷达探测技术,介绍了国外典型的温度和水汽探测激光雷达和发展动态。　　 第二篇系对流层大气纯转动Raman激光雷达系统研究部分。主要内容围绕对流层大气纯转动:Raman激光雷达系统(PRRL)的研制过程展开。首先对温度反演理论进行了深入研究,包括N2和O2纯转动Raman后向散射谱线的有关计算和温度反演公式的推导和分析。然后叙述了作者对纯转动Raman激光雷达(PRRL)系统总体方案和各分系统的设计和考虑,其中详细论述了发射光路设计和望远镜接收视场控制方法,分析了双光栅分光系统性能,并提出新的双光栅分光系统方案。最后介绍了PRRL系统大气温度测量流程以及对系统的定标实验,并提出实验检验分光系统可靠性的方法,同时给出了大气温度的典型测量结果以及数据处理方法,并分析了信号随机起伏引起的测量误差。本篇最后进一步提出了基于多级Fabry-Perot标准具测温激光雷达方案,该方案可实现利用氮气单谱线反演大气温度。　　 第三篇系边界层水汽Raman激光雷达系统研究部分。首先介绍了日盲区和非同盲区水汽Raman激光雷达的基本原理。然后提出边界层水汽Raman激光雷达总体方案,重点讨论了分光系统的设计考虑过程,给出了相关参数,并提出了对分光系统的标定方法,且进行了实验标定。最后基于266nm和354.7nm波长初步成功测量了水汽和氮气Raman散射信号,并反演获得夜间水汽分布廓线,同时分析研究了臭氧(O3),二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)的吸收作用对266nm探测水汽的各种影响。