大气水汽(湿度)、温度是重要的大气气象及物理参数，也是精细结构大气观测的重要基本参数。它们相互依存特性，严重影响气象、气候以及大气辐射、热力学、动力学的变化。因此，对大气水汽、温度的测量，对于提高天气预报的准确性，研究云的形成，降水等有着很重要的研究价值和社会效益。激光雷达作为新型的大气遥感技术，能够为大气环境科学研究、精细气象预报及自然灾害预警预报等特殊气象服务提供了一条有效的途径。　　 本文从大气分子的拉曼散射原理出发，分析了基于转动拉曼散射的温度探测原理和基于振动拉曼散射的水汽探测原理，并推导出拉曼激光雷达探测温度和相对湿度的反演方法。依托西安理工大学大气遥测中心，设计了一套基于光栅的大气温湿度拉曼激光雷达系统，重点分析了以高分辨率全息光栅和小孔光阑组成的一级分光系统。分析了光栅周期、入射角和光束发敞角等主要参数对分光系统的影响，有效提取米-瑞利后向散射信号、氮气分子和水汽分子的振动拉曼散射信号。再利用双窄带干涉滤光片进行二级分光，有效提取高低量子数转动拉曼散射信号，从而实现对大气温度、水汽(湿度)的同时测量。　　 根据设计的系统参数，利用标准大气模型，选取测量时间为9分钟，激光平均脉冲数为10000,进行了系统仿真，获得大气温度和湿度的垂直廓线。结果表明，在白天，温度探测误差在2.5km以下小于1K，相对湿度的不确定度小于20％；在夜间，4.5km以下的温度误差小于1K，相对湿度的不确定度在20％以内。仿真结果充分验证了系统的可行性和方案的有效性，说明该系统能够稳定获得大气低层的温度和湿度信息。最后，讨论了系统主要参数对测量结果的影响，对激光雷达获得的大气温度和湿度廓线进行分析，对比移动平均、中值滤波和高斯滤波三种数据处理方法，得知移动平滑是算法简单且效果良好的滤波方法。