我们成功研制了一套纯转动拉曼(pure rotational Raman)单支谱激光雷达。该激光雷达的分光系统采用了滤光片+FPI的组合形式,可以有效地提取N2分子纯转动拉曼谱的两根单支谱线(反斯托克斯J=6和16)的回波信号及弹性散射回波信号。本文从原理出发,介绍了多种利用激光雷达测量大气温度和气溶胶光学参数的方法。其中着重介绍了纯转动拉曼单支谱方法反演大气温度和气溶胶参数的原理,以及纯转动拉曼单支谱激光雷达系统的设计,标定和调试步骤。该激光雷达系统搭建完成后,我们从分光性能检测以及反演结果对比两个方面对系统进行了检验和评估,验证该系统实现了纯转动拉曼单支谱的提取:1.通过谱线扫描的形式,证明分光系统对邻近的反斯托克斯O2PRRJ=7、9、21、23谱线均有两个量级的能量抑制;2.纯转动拉曼单支谱激光雷达反演温度时需要已知两个参量a和b,其中a是一个只与纯转动拉曼单支谱转动能级相关的常数,b是与两个拉曼通道的系统效率比相关的常数,可以通过实验求出。通过对比,a和b的理论值与通过无线电探空仪数据拟合得到的a和b的标定值非常接近,相对偏差仅分别为0.2%和3.5%,如此一致的结果表明该激光雷达系统实现了纯转动拉曼单支谱提取。因此,纯转动拉曼单支谱激光雷达可以在不借助其它探测手段(如无线电探空仪)进行标定的情况下,获得大气温度的垂直高度剖面。结合该激光雷达系统的弹性通道和其中一个纯转动拉曼单支谱通道,利用其对应的激光雷达方程可以严格地推导出反演气溶胶后向散射系数的解析式。与其它气溶胶反演方法(Fernald方法,振转拉曼方法)相比,这个解析式中不需要引入假设(如激光雷达比或Angstrom关系)。将得出的气溶胶后向散射系数代入弹性信号的激光雷达方程,可以进一步反演出气溶胶的消光系数和激光雷达比(消光系数/后向散射系数)。由该方法反演得到的气溶胶后向散射系数,消光系数和激光雷达比,可为将来激光雷达的气溶胶探测研究提供严格的标称值。纯转动拉曼单支谱激光雷达的观测结果表明该激光雷达系统具备对大气温度、气溶胶后向散射系数和消光系数的全天时观测能力。由该系统测得的高度分辨率为150m,时间分辨率为1小时的温度剖面,在夜间高度可以达到～6.5 km,1-σ统计不确定性和绝对偏差均不超过1 K;在白天高度可以达到～2.6 km,1-σ统计不确定性和绝对偏差均不超过1 K。我们还使用该激光雷达系统对武汉上空的城市气溶胶、沙尘和卷云进行了观测研究,通过单支谱算法获得其各自对应的光学参数,并联合一台偏振激光雷达给出了沙尘和卷云的统计结果。与激光雷达技术中其它气溶胶反演方法(Femald方法和纯转动拉曼构造参考信号方法)的结果进行了比对,分析了纯转动拉曼单支谱方法反演气溶胶参数时的优势。