水汽作为大气的一个重要组分，在降水、能量输送、辐射平衡、云的形成、天气和气候灾害性监视和预报中起着重要作用。激光雷达作为一种主动大气遥感手段，具有实时连续监测、空间分辨率高、探测精度高等优点。根据工作平台不同，探测大气水汽的激光雷达主要有地基拉曼散射激光雷达和星载距离分辨差分吸收激光雷达。本文对大气水汽探测地基拉曼散射激光雷达和星载距离分辨差分吸收激光雷达系统设计和反演算法展开了研究。论文主要研究内容包含三部分，首先完成了白天和夜晚有效测量中低部对流层水汽分布的地基拉曼激光雷达仿真设计；其次完成了测量地表至平流层层底水汽分布的星载距离分辨差分吸收激光雷达系统仿真设计；最后针对以上两种激光雷达仿真回波信号研究了相关数据处理方法。本文完成的主要创新性工作如下：1)完成了能够实现中低部对流层水汽昼夜观测的拉曼散射激光雷达系统仿真设计。根据中低部对流层大气模式、水汽拉曼散射激光雷达回波模型和噪声模型，分析了激光器发射波长、能量、望远镜口径、大气能见度等因素对系统回波信噪比，评价了发射系统、接收系统和大气环境对大气水汽探测地基拉曼散射激光雷达探测性能的影响。最终确定采用532nm作为发射波长采用闪耀光栅分光的地基拉曼激光雷达系统设计方案，仿真结果表明：白天探测高度为4km，夜晚探测高度为9km，能够满足中低部对流层水汽廓线探测要求。2)完成了测量地表至平流层层底水汽分布的星载距离分辨差分吸收激光雷达系统仿真设计。根据中纬度大气标准模型给出的大气气溶胶、分子、水汽分布模型，利用引入多普勒展宽修正后的星载距离分辨差分吸收激光雷达回波模型和噪声模型，分析了激光器能量与频率稳定性、望远镜口径与视场角、大气环境、激光束指向等因素对系统回波信噪比和测量性能的影响。最后完成了大气水汽探测星载距离分辨差分吸收激光雷达系统各主要部分的设计参数，仿真结果表明：该系统能够实现海拔高度15km以下的水汽分布测量。3)针对大气水汽探测地基拉曼散射激光雷达和星载距离分辨差分吸收激光雷达的微弱回波信号提出了一种新阈值去噪法。该方法克服了原有硬阈值函数不连续、软阈值函数丢失高频信息的缺陷。分别采用计算机仿真模拟信号和激光雷达实际信号进行去噪验证。在对计算机仿真信号去噪时，定量分析MSE和输出信噪比可知改进后的新方法在信号去噪和有用信息保留优于原有硬、软阈值函数法；在对实际回波信号去噪时，近场信号去噪效果良好，根据回波信号的远近同时对信号采用新阈值函数法去噪和软阈值函数法去噪处理能够更有效地提取有用信息、滤除噪声。4)利用上述新阈值函数去噪法对大气水汽探测地基拉曼散射激光雷达和星载距离分辨差分吸收激光雷达仿真回波信号进行反演，对比1976美国标准大气模式后，给出了系统探测相对误差。结果表明：大气水汽地基拉曼散射激光雷达仿真系统回波反演后海拔5km以下的相对误差小于20%，星载距离分辨差分吸收激光雷达仿真系统回波反演后海拔15km以下的相对误差小于20%；验证了探测水汽的地基拉曼散射和星载距离分辨差分吸收激光雷达系统设计的合理性。另外需要指出的是针对星载距离分辨差分吸收激光雷达仿真回波信号的反演是按照引入多普勒展宽修正的新反演算法进行的。