电离层垂直探测

测量方式

使用电离层测高仪从地面对电离层进行的常规探测。测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得电离层电子密度的高度分布。

仪器简介

(又称垂测仪)是布雷特(G. Breit)和图夫(M.A.Tuve)在1925年发明的。第二次世界大战前，全球只有少数电离层垂直探测站（简称垂测站）。大战期间，由于改善短波通信的需要，在全世界各地建立了大量的垂测站。在国际地球物理年(IGY)期间，垂测站的数目约达 150个。中国在1949年前有重庆、武昌、兰州3个站；1949年以后,先后增设了乌鲁木齐、满洲里、长春、北京、广州、海口等站，形成了中国电离层垂测网，积累了两个太阳黑子周期以上的资料。

工作频率

,在宽广的范围（如从0.5～30兆赫）内连续改变，基本上是一部短波脉冲雷达。它通常由发射机、接收机、天线、频率综合器、显示记录器、程序控制器等部分组成。进行探测时，发射机的脉冲调制高频振荡，通过天线垂直向上发射。当忽略碰撞和磁场的影响时,根据阿普尔顿-哈特里公式（见磁离子理论），电离层介质的折射指数可写为：

式中，称为等离子体频率(千赫)，f为发射频率（千赫）,N为电子密度（厘米-3）。将发射机频率f由小到大调至fN时,电波就从与N相对应的高度反射回来。设电离层某层最大电子密度为Nm,则从该层反射的电波的最高频率，称为该层的临界频率。如果 f 大于 f0，电波将穿过该层进入更高的层次。当f足够高，使得电波恰能穿过全部层次，则该频率为整个电离层的穿透频率。

假设脉冲波在电离层介质中的传播速度和在真空中一样，那么根据反射下来的回波脉冲与发射脉冲之间的时延t，可以决定反射点的高度，其中c是真空中的光速。但实际上电离层介质中电磁波的传播速度小于c，因此由上式算出的h′不是反射点的真正高度h,而比h大，通常称h′为等效高度或虚高。测高仪记录下来的h′-f的关系曲线称为频高图或电离图。由于地球磁场的影响，电波分裂为寻常波和非常波两个分量，于是在电离图上出现两个描迹，一个对应于寻常波，一个对应于非常波。当电离层吸收较小时，还常观测到二次、三次以至多次反射回波。

垂直探测站

从电离图可以直接读出E、F1、F2、Es等层的临界频率、最小虚高等参数,并可度量出3000公里传输因子,编制成月报表。此外,通过适当的换算，还可以从电离图得出电子密度随高度分布的剖面曲线。

新技术的采用使垂直探测日臻完善。例如能探测电离层反射点附近电子快速运动技术，提高测高仪的抗干扰能力的脉冲压缩、视频信号鉴别、调频连续波技术，电离图的度量、处理方面的自动化和数字化技术等。

但垂直探测也有它的局限性：难于探测 D层的电离状态，难于获得E层和F层之间谷区（120～140公里）的信息,不能研究F层峰以上的电离层。这些问题需要由其他探测方法来解决（见电离层探测）。

定义

ionospheric vertical sounding

用高频无线电波从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术使用的探测设备称为电离层测高仪（或称垂测仪）。它垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线。这种曲线称为频高图或垂测电离图。

研究发明

这种探测方法是美国G.布赖特和 M.A.图夫二人于1925年发明的，至今仍是电离层探测的最基本的手段。第二次世界大战以前，全球只有少量电离层垂测站。大战期间,为了改善短波通信,在全世界建立了大量的垂测站。在国际地球物理年期间,这种观测站已有150处以上。中国在1949年前有重庆、武汉、兰州三个站，1949年以后，先后增设了满洲里、乌鲁木齐、长春、北京、广州、海口等站，形成了一个较完整的协同观测的垂测网，积累了两个太阳黑子周期以上的资料。

电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围（0.5～30兆赫）内连续改变。电离层测高仪进行探测时，发射机的高频脉冲振荡通过天线垂直向上辐射，不计碰撞和地磁场的影响,根据阿普顿-哈特里公式（见磁离子理论），电离层介质的折射指数为

式中称为等离子体频率;f为发射频率（兆赫）。对应于电离层中某一高度的电子密度值N(单位为米-3)各有一个fN值。利用测高仪对电离层某层进行探测时，将发射机频率f由低值逐渐增高,当f=fN时，n=0，电波就从与N 相对应的高度反射回来。如果该层最大电子密度值为Nm，则从该层反射的电波最高频率为

式中fC为该层的临界频率。如果 f 大于 fC,电波将穿过该层入射到更高的电离层次。当 f的值足够高而使电波能穿过最高的层次时，这个频率即为整个电离层的穿透频率。

假设脉冲波群在电离层介质中的传播速度同在自由空间中一样，那么，根据反射下来的回波脉冲与发射脉冲之间的时延t，即可决定反射点的高度为

式中 c为真空中的光速。但实际上电离层介质中电波的群速度小于光速c。因此，由上式算出的 h′不是反射点的真正高度 h，它可能比h高得多。通常称h′为等效高度或虚高。

国际的统一规定

垂直探测站从频高图度量出E、F1、F2和Es层的临界频率和最小虚高等参数,编制成月报表供用户使用。此外，通过适当的换算还可从频高图得出电子密度随高度的分布。这些资料可用于短波通信频率预报、电离层骚扰预报、电离层形态分析和其他电离层物理问题的研究。

垂直探测技术采用脉冲压缩、视频信号鉴别、调频连续波等技术，提高了测高仪的抗干扰能力，同时，还出现了能探测电离层运动信息的测高仪。但是，垂直探测技术有它的局限性，例如，难于探测 D层的电离程度、难于获得E层和F层之间谷区(120～140公里)的信息、不能研究F层峰以上的电离层等,这些缺陷须用其他探测方法加以弥补（见电离层无线电探测）。

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