极区中层夏季回波（Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE）是极区当地夏季中层顶区域在中频（Medium Frequency,MF）到超高频（Ultrahigh Frequency,UHF）频段被雷达观测到的异常强的回波。研究表明PMSE与人类温室气体排放、全球大气环流等紧密相关,同时也是尘埃等离子体物理、空间物理领域的科学家们广泛关注的重要科学话题。PMSE与中层顶区域的带电冰粒子有关,因此其可以作为尘埃等离子体研究的基础场景以及监测极区中层云形成的有利工具。开展PMSE理论和实验研究可以提升对电离层的认知,对空间物理研究具有重要的科学意义和应用价值。本论文基于欧洲非相干散射科学协会（European Incoherent SCATter,EISCAT）在北极建设的多部不同频率的雷达观测实验,围绕PMSE基本特性、分层PMSE实验特性及其与太阳和地磁活动之间的相关关系、PMSE频率依赖性、方向灵敏性、与PMSE相关的类极区夏季中层回波（Polar Mesosphere Summer Echoes-Es,PMSE-Es）特性及极区中层云（Polar Mesosphere Clouds,PMC）与PMSE的相关性开展研究。主要研究内容如下:1、高纬电离层基本特性简介及极区中层回波的国内外研究概况。介绍了PMSE观测实验的基本需求、数据处理方法及PMSE的典型特性,为后文详细展开分析论述做铺垫。2、分层PMSE特性研究。介绍了分层PMSE现象及单、双和三层PMSE的判定标准,给出单、双和三层PMSE出现率的计算方法,并计算了分层PMSE的出现率。在此基础上,研究了分层PMSE出现率的季节变化和年变化以及不同阈值情况下分层PMSE特性;然后详细分析了分层PMSE出现率与太阳和地磁活动之间的相关性。发现单、双和三层PMSE出现率均与地磁活动呈正相关关系,而三层PMSE出现率与太阳活动呈负相关关系。这提升了对PMSE分层结构特性的认知水平。3、PMSE频率依赖性研究。简要介绍了体反射率计算公式,对文献结果进行了统计分析,验证了体反射率与频率的四次方成反比的结论。利用欧洲非相干散射甚高频（EISCAT VHF）雷达的观测结果,研究了高能粒子沉降影响下的体反射率与频率的依赖关系,得到的结论与文献一致。利用分层介质理论建立理论模型,代入实验数据,再次验证了体反射率与频率的四次方成反比的结论。4、PMSE方向灵敏性研究。介绍了表征PMSE方向灵敏性的主要参数,利用2013年6月24-28日和2013年7月1日进行的不同仰角条件下的观测实验,对PMSE的方向灵敏性进行了详细分析。发现当偏离垂直仰角时,PMSE的散射结构并非纯粹的各向同性;当双层PMSE发生时,上层PMSE的方向灵敏性弱于下层PMSE的方向灵敏性,说明下层PMSE的各向异性散射强于上层PMSE,并初步探讨了此现象的物理机理。5、PMSE-Es特性研究。利用挪威Troms?站电离层测高仪的PMSE-Es观测数据,分析了PMSE-Es出现率的日变化和季节变化特性;然后将PMSE出现率的日变化、季节变化和年变化特性分别与PMSE-Es对应特性进行对比,得到并讨论了PMSE与PMSE-Es日变化、季节性变化和年变化特性的异同点。6、PMSE与PMC相关性研究。介绍了PMC的观测设备,并利用由EISCAT VHF雷达观测的PMSE数据和CIPS观测的PMC数据,对它们之间的相关性进行了探讨,发现双层PMSE与PMC存在正相关关系。这为PMSE形成机制的研究提供了新思路。