光波的物理量可由强度、波长（频率）、相位、偏振态及指向性等来表示。光与物质相互作用主要表现为吸收及散射现象，按作用机理可以分为气溶胶等颗粒物引起的米氏散射，大气分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、荧光及共振散射和吸收等现象。通过对各种散射机理及效果进行分析，可以探测物质的物理及化学信息。
大气探测激光雷达工作原理与微波雷达相似。一般采用脉冲激光器作为发射源，向大气中发射一束具有高指向性、高能量的窄脉冲宽度的激光束，通过望远镜收集大气中物质产生的后向散射光，并对散射光进行光谱分析，剔除杂散光信号，经光电转换后获得电信号，由计算机进行数据采集、信号分析及数据反演即可得到所需大气参数或信息。通过测量反射、散射回波信号的时间间隔、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等信息，然后结合激光器本身的位置信息和姿态角度信息，计算出目标表面回波点的三维坐标。
激光雷达在一些关键技术指标上远远超越了其他遥感探测技术，使其在很多领域得以广泛应用。具体包括:
⑴数据密度大：激光波束窄，探测次数多，因而采集数据量更大。每秒可测量数十万个点，对真实物体表面(如地面)的还原和建模带来方便。同时，可调节点采集间隔，大大提高了适用性和工作效率。
⑵数据精度高：由于激光波长短、频率高，可以使激光雷达达到*的测量精度。高精度测量激光雷达测量精度可达毫米以下，机载激光雷达测量精度也可达厘米级。
⑶植被穿透能力强：激光在植被中传播时，可以在树冠、树枝、地面等多个高程发生反射，从而得到多次回波数，这是其他雷达所不具备的优势。特别是得到的地面回波数据，有效克服了植被影响，使探测地面真实地形成为可能。
⑷不受太阳高度角和阴影影响：激光雷达为主动测量式雷达，不依赖自然光，因而与传统方式相比，其获取数据的精度不受时间、太阳高度角和地物阴影的限制和影响，可以24 h全地形作业。
⑸隐蔽性好、抗干扰能力强：激光传播方向性好、波束窄，只在传播路径上存在，难以发现和截获。同时，激光雷达口径小，且定向接收，只接收指向区域回波，接收干扰信号的概率极低。
⑹体积小、重量轻、作业效率高：激光雷达发射口径只有几厘米，重量小的可以单人手持使用，相较其他雷达设备要轻便、灵巧得多，不但可以节约人力、物力资源，而且可以使工作变得更加简单快捷，可应用的领域也更广。
