高层大气雷达探测利用测量大气局部区域对无线电雷达发出的无线电波的散射或反射回波的频移、谱线增宽和功率变化，研究大气的运动、温度、成分和电子密度等。

用于探测高层大气的无线电雷达有中间层—平流层—对流层（MST）雷达和非相干散射雷达两种。MST雷达可用于测量中、低层中性大气湍流的不均匀结构。一般选取雷达波长大于3米，即频率小于100兆赫，使得半波长介于大气湍流尺度的最大值与最小值之间。这种雷达在大气中产生回波是大气折射指数的起伏引起的。大气折射指数与大气中的水蒸气、干空气浓度和自由电子密度有关。大气中的湍流不连续结构和层状结构，会引起局部气压、温度、湿度或电子密度的不均匀，从而造成大气折射指数的起伏。除了湍流及大气中的其他不均匀性可产生无线电回波外，流星余迹也是回波源，所以MST雷达也可作为流星雷达用来研究中间层大气风场。

非相干散射雷达比MST雷达的发射机功率更强，发射的波长更短（为分米波或厘米波），接收天线面积更大，接收机灵敏度更高，可以测定大气中电子热运动起伏产生的散射，探测高度为90～10000千米。可根据回波功率测量电子密度，根据回波频谱结构测量电子和离子的温度和成分，根据回波频移测量电子漂移速度，从而估算中性大气的运动，研究空间电场和磁场。这种雷达与质谱计探测相结合是研究中性大气和电离层结构的重要手段。