大气温度是大气物理、天气分析与预报及环境监测中的一个重要的大气气象参数。实时探测大气温度剖面,对研究太阳辐射,解释地球温暖化现象,提高气象预报的准确度,特别对研究城市热岛现象等具有重要的意义。拉曼散射激光雷达利用大气分子引起的转动拉曼谱线强度与大气温度的依存特性,实现温度的实时探测,具有高的时空分辨率,在连续监测和测量精度等方面所具有的独到优势,是其它探测手段无法比拟的新颖大气遥感技术。论文在比较现有激光雷达大气温度遥感技术的基础上,提出了利用拉曼散射探测大气温度的系统设计方案,并对相关的大气温度拉曼散射激光雷达关键技术进行数值仿真及实验验证。由于拉曼散射信号的强度相对于弹性散射要弱3～4个数量级,本文设计了一个高光谱分辨率光栅组合双层窄带滤光片的高光谱分辨率的分光器,实现强背景光(米散射和瑞利散射信号)下的弱拉曼信号提取。激光雷达系统选用Nd:YAG脉冲激光器的三倍频波长(355nm)为光源,口径250mm的卡塞格林式望远镜作为接收系统,利用高光谱分辨率光栅,小孔光阑组成一次分光系统,剔除大部分太阳背景光噪音,米散射及瑞利散射信号,利用4个窄带滤光器构成一个高光谱分辨率的分光系统,实现对部分太阳背景光噪音,米散射及瑞利散射信号的二次滤波,并提取谱线中心波长分别为353.9nm和352.5nm的转动拉曼信号,从而达到对瑞利散射和米散射信号的7个数量级的抑制率,并实现白天测量。在不同大气条件下,对西安城区低层大气温度进行多次实验观测表明,在脉冲激光能量250mJ,探测时间为8分钟(约10000次脉冲累积平均)的情况下,设计的转动拉曼激光雷达系统具有对1km以下大气温度全天候精细探测的可行性,并且其测量不确定度误差可以达到1K。