根據介電常數的熱隨機起伏引起電磁波散射的原理，從地面上用大功率雷達探測電離層特性的方法。
單個自由電子對電磁波的散射稱為湯姆孫散射或非相幹散射。1958年戈登 (W.E.Gordon)指出，電離層中的自由電子對無線電波的散射可以非相幹疊加，而用地面大功率雷達有可能測到散射回波。同年10月鮑爾斯(K.L.Bowles)測得瞭電離層的散射回波。從那時起，用大功率雷達探測電離層的這種方法稱為非相幹散射探測。然而，實踐和理論都證證實這個名稱並不確切，因為真正的非相幹散射要求雷達工作波長λ遠小於等離子體德拜長度D，實際探測中是λ>D。同時，鮑爾斯還發現接收信號的多普勒頻移遠小於根據電子隨機熱速度推算出來的預想值，這說明接收到的是等離子體熱隨機起伏引起的散射而不是自由電子散射。
非相幹散射回波信號的功率、頻譜(或自相關函數)等都是可測量的。通常有3種測量方法：①確定散射輻射中等離子線的位置，稱為等離子線法；②基於散射能量總和與電子密度的比例關系推算電子密度等參數，稱為功率法；③法拉第旋轉法（見電離層無線電波傳播）。
非相幹散射雷達有單站型和多站型。一般單站型有利於電離層垂直分佈測量，多站型有利於測量電離層運動。單站型中最著名的是阿雷西沃站(波多黎各，18.3°N，66.8°W)，其天線反射器直徑300米，工作頻率430兆赫，峰值發射功率2兆瓦，平均發射功率100千瓦，垂直向上發射脈沖波。多站型中最早的是法國非相幹散射雷達（發射站在聖桑坦，44.65°N，2.19°E；接收站在南錫，47.37°N，2.10°E）。到1980年為止，世界各國建成運轉的非相幹散射探測系統總共不到10部，它們的探測能力不同，在地理分佈上很不平衡，南半球隻有一部（秘魯，利馬附近，11.95°S，76.87°W）。
以阿雷西沃站為例，它的典型探測參量及其探測高度的范圍為：電子密度，85～6000公裡；電子溫度、正離子溫度，夜間為200公裡以下，白天為100公裡以上；離子成分，2000公裡以上；離子-中性粒子碰撞頻率，80～120公裡；等離子體漂移速度，85～700公裡。此外，有時還能觀測或間接推算的參量有：光電子通量、電場強度、電流密度、中性大氣溫度、電子－中性粒子碰撞頻率、中性大氣風速、中性成分、熱能通量等。
通常用非相幹散射雷達探測F層時，電子密度、電子溫度、離子溫度的誤差的典型值估計為5～10％或更小些，中性成分誤差約為10％，漂移速度的測量精度為1～10米/秒。獲得一幅剖面圖所需的測量時間不超過5～10分鐘。
非相幹散射探測提供瞭一種從地面上研究電離層的非常有效的手段。這種探測獲得的電離層參數多而且有較高的時間分辨率和高度分辨率，所以，它能獲取作為時間空間函數的電離層形態的相當完整的資料。
非相幹散射探測高度范圍約為80～6000公裡，因此它不僅是電離層物理學研究的有效手段，也可為磁層的動力學研究提供重要資料。
非相幹散射探測的不足之處主要是設備龐大，結構復雜，維持其運轉耗資甚巨。（見彩圖）
位於挪威特羅姆舍的“歐洲非相幹散射雷達天線”
參考書目
A.Girand and M. Petit，Ionospheric Techniques and Phenomena，D.Reidel Publ.Co.，London，1978.