光波的物理量可由強度、波長（頻率）、相位、偏振態(tài)及指向性等來表示。光與物質(zhì)相互作用主要表現(xiàn)為吸收及散射現(xiàn)象，按作用機理可以分為氣溶膠等顆粒物引起的米氏散射，大氣分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、熒光及共振散射和吸收等現(xiàn)象。通過對各種散射機理及效果進行分析，可以探測物質(zhì)的物理及化學信息。
大氣探測激光雷達工作原理與微波雷達相似。一般采用脈沖激光器作為發(fā)射源，向大氣中發(fā)射一束具有高指向性、高能量的窄脈沖寬度的激光束，通過望遠鏡收集大氣中物質(zhì)產(chǎn)生的后向散射光，并對散射光進行光譜分析，剔除雜散光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得電信號，由計算機進行數(shù)據(jù)采集、信號分析及數(shù)據(jù)反演即可得到所需大氣參數(shù)或信息。通過測量反射、散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、方位和速度等信息，然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息，計算出目標表面回波點的三維坐標。
激光雷達在一些關(guān)鍵技術(shù)指標上遠遠超越了其他遙感探測技術(shù)，使其在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。具體包括:
⑴數(shù)據(jù)密度大：激光波束窄，探測次數(shù)多，因而采集數(shù)據(jù)量更大。每秒可測量數(shù)十萬個點，對真實物體表面(如地面)的還原和建模帶來方便。同時，可調(diào)節(jié)點采集間隔，大大提高了適用性和工作效率。
⑵數(shù)據(jù)精度高：由于激光波長短、頻率高，可以使激光雷達達到*的測量精度。高精度測量激光雷達測量精度可達毫米以下，機載激光雷達測量精度也可達厘米級。
⑶植被穿透能力強：激光在植被中傳播時，可以在樹冠、樹枝、地面等多個高程發(fā)生反射，從而得到多次回波數(shù)，這是其他雷達所不具備的優(yōu)勢。特別是得到的地面回波數(shù)據(jù)，有效克服了植被影響，使探測地面真實地形成為可能。
⑷不受太陽高度角和陰影影響：激光雷達為主動測量式雷達，不依賴自然光，因而與傳統(tǒng)方式相比，其獲取數(shù)據(jù)的精度不受時間、太陽高度角和地物陰影的限制和影響，可以24 h全地形作業(yè)。
⑸隱蔽性好、抗干擾能力強：激光傳播方向性好、波束窄，只在傳播路徑上存在，難以發(fā)現(xiàn)和截獲。同時，激光雷達口徑小，且定向接收，只接收指向區(qū)域回波，接收干擾信號的概率極低。
⑹體積小、重量輕、作業(yè)效率高：激光雷達發(fā)射口徑只有幾厘米，重量小的可以單人手持使用，相較其他雷達設(shè)備要輕便、靈巧得多，不但可以節(jié)約人力、物力資源，而且可以使工作變得更加簡單快捷，可應(yīng)用的領(lǐng)域也更廣。
