氦是热层和外逸层中最主要的大气元素之一，氦密度的探测对人类理解热层和外逸层环境具有非常重要的作用。本论文从探测热层亚稳态氦原子的科学意义和氦激光雷达的研究历程出发，详细介绍热层氦激光雷达的探测原理和共振荧光激光雷达方程，其中包括氦原子能级结构、亚稳态氦辐射线的特性、热层亚稳态氦密度模型、晨昏时太阳光背景强度和有效后向散射截面等。　　氦激光雷达系统目标是实现200至1000公里范围内大气中亚稳态氦原子密度的测量，为了满足这一探测指标，本文根据调研出的满足系统参数要求的设备，设计氦密度激光雷达系统参数（包括60W连续激光发射系统、由6个直径为1米的望远镜组成的望远镜阵列、数据采集系统），采用计算机模拟和理论分析的方法，在不同积分时间和不同亚稳态氦原子密度的条件下，对比分析系统接收光子数随距离变化关系，对系统的性能进行评估，获得信噪比曲线。评估结果显示，在积分时间为5min，当He(23S)密度最低时，300～600km高度范围内，系统信噪比大于20，当He(23S)密度最高时，400km以上高度范围内，系统信噪比大于100，验证了该激光雷达系统的可行性。　　在氦雷达系统的发射机部分，采用1083.0nm连续激光器作为种子激光，然后进行连续激光放大，这要求种子激光频率稳定性较高，需要进行稳频控制。因此，论文对亚稳态氦原子的产生、氦饱和吸收谱的测量实验和利用调制转移光谱法稳频的实验方法也进行详细的介绍。　　氦激光雷达是一种新型的共振荧光激光雷达，实现难度大，受激光和红外探测技术水平的限制，国内外至今均无成型的氦激光雷达系统，国内也没有相关的讨论文献。这是国内首次对氦激光雷达系统的讨论，为将来详细的系统设计和研制打下基础，对氦激光雷达系统的实现具有重要的参考价值。