大气温度是描述大气状态变化的基本物理量之一,它对于观察全球气候变暖、城市热岛现象和颗粒物吸湿增长特性等都有着重要参考意义。作为一种主动遥感探测方式,高光谱分辨率激光雷达具有时空分辨率高和易实现全天时观测的特点,因此被认为是精确连续探测大气参量的重要手段,它可为大气温度的连续观测、云的形成和降水、大气污染物的扩散机理及其他边界层大气现象研究提供有力的参考。本文针对高光谱分辨率激光雷达探测大气温度的方法展开研究。为了利用低脉冲能量和小口径望远镜实现全天时高信噪比的大气温度探测,论文提出了一种高光谱分辨率激光雷达偏振分光系统。高光谱分辨率激光雷达偏振分光系统使用三个法布里-珀罗标准具作为滤波器,通过探测透射过滤波器的信号强度变化量来反演大气温度。与传统高光谱分辨率激光雷达分光系统将回波信号的强度分割后进入不同滤波器通道的方法相比,该系统通过结合运用光的偏振特性与法布里-珀罗标准具的透射和反射光谱实现充分利用回波信号强度,即回波信号在入射到各滤波器通道时光强度未损失。通过使用偏振光学器件抑制太阳背景光和Mie散射信号提升了高光谱分辨率激光雷达的信噪比和全天时探测能力,利用Stokes矢量和Mueller矩阵计算分析了高光谱分辨率激光雷达偏振分光系统的探测性能,然后分析了滤波器的频谱位置对系统探测性能的影响,搭建了高光谱分辨率激光雷达偏振分光系统,对分光系统的入射角、发散角和滤波器带宽进行调节优化,最后标定了三个法布里-珀罗标准具透射光谱中心频率的偏移量。通过信噪比仿真计算评估了偏振分光系统探测性能。在相同的系统参数条件下与传统高光谱分辨率激光雷达系统进行了对比,仿真结果表明,系统在白天的有效探测高度为3km（SNR=100）,探测高度提升2.5倍;在夜间的有效探测高度为4.5km（SNR=100）,探测高度提升2倍。最后,对西安局部地区的大气温度开展了观测试验,利用50mJ激光能量和250mm的望远镜实现了在白天和夜间的有效探测高度分别为2.5km和4km的大气温度廓线探测。结果表明,高光谱分辨率激光雷达偏振分光系统探测结果与无线电探空仪的数据显示出了良好的一致性。最终,偏振分光高光谱分辨率激光雷达利用低脉冲能量和小口径望远镜实现了全天时高信噪比的大气温度探测。