激光雷达向大气发射激光脉冲，大气粒子（分子、原子、离子或气溶胶粒子等）与激光光子相互作用产生后向散射光子，激光雷达通过接收和分析这些后向散射光子，可以获得各种大气参量，如密度、温度、成分、风场等。测定从发射出激光到接收到散射光的时间间隔，可以确定所探测的大气体积的位置。激光雷达主要由发射系统、接收系统和控制系统组成。但由于探测的对象和方法不同，所使用的激光波长不同，发射系统和接收系统的某些元件也各不相同。

利用激光雷达探测的优点很多：①激光脉冲宽度窄，光束发散角小，使得探测的空间分辨率很高（几十米至几百米）；②激光的功率大，可进行远距离的遥测；③激光脉冲重复频率高，使得探测的时间分辨率高，可以用于探测大气参量的瞬变过程；④激光的单色性好，通过窄带滤光技术，可以获得高灵敏度探测；⑤激光探测可用的波长幅度很宽，从近紫外到整个红外，可测量大气各种成分。但是，激光雷达探测高层大气受对流层天气条件影响，同时由于太阳在可见光区的强辐射背景，因此，激光雷达一般在天气晴朗的夜间进行探测。探测的方法有下列几种。

当激光波长远离大气粒子吸收线波长，但比粒子（例如大气分子）尺度大很多时，粒子对光的散射就是瑞利散射。由于被散射的光强度与在散射高度处的分子密度成比例，因此可利用它来测定大气密度随高度的分布。通过测量散射光强度的变化，还可得出大气湍流特性。假定在测量过程中，大气处于流体静力学平衡状态，可进一步得到大气温度随高度的分布。此法在地面上无月光的晴朗夜晚，可测到100千米左右高空的大气参量。

当激光波长远离大气粒子吸收线波长，但与粒子尺度相当时，粒子对光的散射就是米氏散射，如气溶胶粒子对激光的散射。利用米氏散射可以测量气溶胶浓度和气溶胶粒子的大小和分布。通过测量米氏散射光的多普勒频移，并利用斯托克斯-爱因斯坦关系，也可得到气溶胶粒子大小和浓度分布。还可以从多普勒频移推算出气溶胶的整体运动，从而得出大气风速。

当激光波长与大气成分的吸收线或吸收带相重合时，大气成分吸收激光光子跃迁至激发态，在退激发后发出新光子，且当停止入射激光后，发光现象也随之消失的现象称为荧光散射；如果激光光子被吸收，重新辐射出来的光子的频率与原激光相等，称为共振散射。由于不同大气成分的吸收线不同，因此利用这种散射可测量各种大气成分。

当激光波长与大气成分的吸收线或吸收带相重合时，大气分子发生强烈吸收激光光子的现象。若用一远距离接收器或反射器接收透过的激光，通过对吸收线上和吸收线外两种波长的激光的透射光强比，即可测得沿光路的该种大气成分的总含量。

散射体有宏观运动时产生散射光谱线频移，称为多普勒频移。由于多普勒频移值与径向运动速度成正比，与波长成反比，因此，通过测量多普勒频移值可获得散射体宏观运动速度，即风速。同时，单色性好的激光被散射体（大气分子）散射时，分子热运动会导致谱线加宽，由于加宽与温度有关，通过测量谱线加宽，可以获得大气温度。

激光的特点之一是单色性好。因此，激光大气后向散射光谱中，一般具有与发射光相同的频率。在实际接收到的后向散射光谱中，存在位于激光发射谱线两侧、强度比发射谱线低得多的新谱线。而这些新谱线离开发射激光谱线的距离与散射成分分子的振动能或旋转能的级差相对应。这种新的光谱的光称为拉曼散射光。这种散射与入射光的频率无关，只是发生了与分子的转动-振动结构相应的频移，因此它提供了一个与入射频率无关而又能鉴别出散射成分的方法，故可用来探测大气成分。共振拉曼散射可作为一种改进拉曼后向散射效率的方法。即选择激光入射频率十分接近于散射成分分子的一个允许电子跃迁频率。这样，由于共振效应，可使散射截面提高几个量级。对于线型分子，拉曼转动光谱包括振幅近似相等的两支光谱，频率对称地处于原激光谱线的两边，每支光谱包迹强度是温度的函数，因此测量这两支光谱的强度比，即可确定大气温度。