电离层是地球空间环境的重要组成部分,随着科学技术的进步,电离层的主动实验研究成为现实。利用大功率高频泵波对电离层进行加热实验,可实现电离层等离子体的人工改变,并可引起很多非线性的扰动现象。非相干散射雷达以其高精度多参数的特点成为电离层加热实验效应的主要诊断工具,本文从极区电离层加热实验出发,对加热实验中增强的异常离子线和等离子体线非相干散射谱特征进行了考察,对产生异常谱特征的物理机制进行了分析,并对强扰动区域电离层参量的反演方法进行了研究。论文的主要成果如下:1.基于对2010年9月13日进行的极区电离层加热实验中非相干散射雷达探测数据的处理,得到了由VHF雷达首次探测到的长生命周期的离子线和等离子体线的增强特征,在以往的加热实验中仅观测到了持续200ms的增强特征,而持续时间长达8分钟的异常频谱增强特征还没有被报道过。异常离子线谱的频谱结构表现为右高左低的不对称双峰结构,而通过对等离子体线频谱的分析推断引起异常谱回波增强特征的物理机制是参量衰变不稳定性。基于对实验条件的分析,给出了参量衰变不稳定性持续发生的可能必要条件,并利用该条件在2011年11月20日成功的进行了长生命周期的参量衰变不稳定性激发实验。另外,通过对VHF雷达的数据分析,得到了离子线谱峰值高度随加热的进行逐渐下降的时空演化特征,而等离子体线谱峰值高度有着相似的时空演化特性,针对该时空演化特征,本文在物理机制上给出了解释。2.利用EISCAT的非相干散射雷达观测到了极区电离层加热实验中产生的超强电子密度增长特征。在反射高度附近的电子密度增幅达到269.3%,而且在远离强扰动区域的300-500km高度范围电子密度仍有30-50%的增长。基于对加热实验中离子线谱的分析以及探测空间范围内的残差检验,表明300-500km高度范围内电子密度增幅是真实的。通过对加热实验中等离子体线的考察,得到了等离子体线的双谐振峰结构。基于电子速度分布函数和等离子体线谱的相关性,本文给出了超热电子是引起实验中观测到的大范围超强电子密度增长特征的可能机制。另通过对离子线和等离子体线峰值的时空演化特征的考察,推断实验中的超热电子可能系由拉莫尔磁旋谐振的加热效应引起的。3.利用包含高能尾的电子速度分布函数,成功对2010年加热实验中观测到的右高左低不对称双峰离子线谱进行了数值仿真。基于欧姆加热理论,在忽略电子温度影响的条件下,仅考虑扩散输运过程的影响,对加热实验中的反射高度时空演化特征进行了仿真,仿真结果表明仅由扩散输运过程可引起2010年加热实验中观测到的反射高度下降的特征,即验证了反射高度下降是由加热电磁波导致扩散输运过程增强引起的物理机制。另外,利用超热电子存在条件下的速度分布函数对等离子体线谱进行了仿真,仿真结果与2011年加热实验中的等离子体线实测结果相吻合,利用仿真中使用的超热电子的速度参数,对超热电子的电离能力、横向自由程和纵向自由程进行了分析,进一步佐证了超热电子是激发2011年加热实验中观测到的超强电子密度增长特征的物理机制。4.提出了基于参量衰变不稳定性发生时的cascade频谱结构的电离层参量反演方法。给出了基于离子等离子体频率谐振条件下电子密度的反演方法,并将反演得到的结果与利用有效UHF雷达数据的GUISDAP反演结果进行了对比,反演结果的平均偏差仅在1%左右,验证了该方法的正确性。另外给出了基于离子声波频率谐振条件下电子温度和电子密度的反演方法。新反演方法的提出对解决电离层加热实验中强扰动区域的电离层参数的反演的问题,以及深入理解非线性的不稳定性过程都具有重要意义。