大气温度是大气物理、大气科学及空间环境监测中重要的气象参数之一。转动拉曼激光雷达是一种结构相对简单、光谱分光难度适中,且能消除底层弹性散射信号影响的一种温度遥感方法,已成为探测大气底层温度廓线的重要仪器之一。论文从大气分子的拉曼散射原理出发,分析了其转动拉曼谱线的波长相对于发射激光存在一定的波长偏移,因而不受大气中底层气溶胶强烈的弹性散射信号干扰,可实现大气底层温度廓线的高精细探测,依据转动拉曼后向散射截面强度与大气温度间的关系来反演大气温度廓线,完成了激光雷达系统关键参数的设计与分析。针对其核心的两级分光系统,采用F-P干涉仪(FPI)作为频率梳滤波器,考虑氮气(N2)分子的精细谱线结构,设计FPI的半高全宽(FWHM)为6pm,考虑膜层损耗以及镜面缺陷,结合FPI加工水平,优化匹配N2分子反斯克托斯(Anti-Stokes)分支的偶转动量子数拉曼谱线,实现高效滤除太阳背景辐射噪声及相邻转动拉曼谱线;结合低阶闪耀光栅的空间色散作用,通过光纤线阵列优化选择提取8路偶转动量子数(J=6～20)的拉曼谱线。由于FPI镜间距的加工精度约为0.5 μm,很难采用种子激光注入调谐实现转动拉曼谱线与FPI的精准匹配,完成了对FPI的调谐方式进行了性能分析(PZT、压强、角度、温度调谐),提出了种子激光注入和FPI角度调整的组合调谐方案,以高效提取8路偶转动量子数(J=6～20)的拉曼谱线。优化设计了整个激光雷达系统的结构参数,利用标准大气模型,结合已有的反演算法,分析了全天时绝对探测大气温度的激光雷达系统的探测性能。理论研究及分析结果表明,优化设计的分光系统可实现对弹性散射信号提供约60 dB的抑制,8路N2分子转动拉曼通道的透过率约为0.265～0.440;依据绝对大气温度探测反演算法,在测量时间约17分钟内,该系统可实现夜间1.2 km以上,白天0.8 km(统计误差为1K)大气温度廓线的无校正绝对探测,为全天时激光雷达大气温度廓线的高精细探测提供新的分光方案和技术手段。