电离层作为地球大气环境中的重要组成部分,在大气空间中的无线电通信起着重要作用。了解电离层最直接的方法就是通过研究学习,来掌握电离层中相关参数的变化规律。非相干散射雷达（ISR）作为目前地表最强大的电离层探测设备,可以以一个高精度的探测水平,探测到电离层中等离子体特征参数的变化。本文研究了非相干探测的理论,实现了从雷达接收到的最原始的I/Q数据到电离层中等离子体特征参数的数据处理过程,研究了由理论公式和回波信号的功率谱来提取电离层参量的方法,结合由AMISR雷达提供的原始探测数据,建立了非相干散射雷达数据处理系统整体架构。本文还基于非相干散射雷达参数反演理论,研究了功率谱法反演电离层参数的技术,搭建了数据反演模型,基于最小二乘原理,优化了迭代算法,并且利用仿真平台对其进行了相关性能测试。主要开展的工作如下:第一,基于AMISR雷达提供的原始回波数据,根据非相干散射理论,功率谱相关理论以及电离层参数提取理论等,对雷达探测电离层实验所得到的原始回波数据的自相关函数（ACF）进行了求解。之后再基于电离层参数提取理论,提取电离层相关参数,并设计了非相干散射雷达数据处理系统,并按照模块化的思想,将数据处理系统的主要功能进行划分,进行单一功能模块搭建,然后将各个功能模块组合,搭建成完整的数据处理系统。完成从雷达原始探测数据到可视化的电离层数据的处理,验证了数据处理系统的准确性与可靠性。第二,基于功率谱和模糊函数理论,建立了功率谱模型,并实现了代码并行化运行,极大的减少了计算过程中模型建立的时间成本。同时基于功率谱法的参数提取过程,和基于非线性最小二乘原理的信赖域方法,研究并优化了功率谱法的拟合过程,通过反演结果的定性分析与定量比较,证明了该算法的应用价值。