電離層垂直探測

用高頻無線電波從地面對電離層進行日常觀測的技術。這種技術使用的探測設備稱為電離層測高儀（或稱垂測儀）。它垂直向上發射頻率隨時間變化的無線電脈衝，在同一地點接收這些脈衝的電離層反射信號，測量出電波往返的傳遞時延，從而獲得反射高度與頻率的關係曲線。這種曲線稱為頻高圖或垂測電離圖。 \n這種探測方法是美國G.布賴特和 M.A.圖夫二人於1925年發明的，至今仍是電離層探測的最基本的手段。第二次世界大戰以前，全球只有少量電離層垂測站。大戰期間,為了改善短波通信,在全世界建立了大量的垂測站。在國際地球物理年期間,這種觀測站已有150處以上。中國在1949年前有重慶、武漢、蘭州三個站，1949年以後，先後增設了滿洲里、烏魯木齊、長春、北京、廣州、海口等站，形成了一個較完整的協同觀測的垂測網，積累了兩個太陽黑子周期以上的資料。

電離層垂直探測

正文

電離層測高儀實質上是一台短波脈衝雷達，通常由發射機、接收機、天線、頻率合成器、顯示記錄器、程式控制器等組成。其工作頻率可在整個短波波段的頻率範圍 （0.5～30兆赫）內連續改變。電離層測高儀進行探測時，發射機的高頻脈衝振盪通過天線垂直向上輻射，不計碰撞和地磁場的影響,根據阿普頓-哈特里公式（見磁離子理論），電離層介質的折射指數為

式中稱為電漿頻率;f為發射頻率（兆赫）。對應於電離層中某一高度的電子密度值N(單位為米-3)各有一個fN值。利用測高儀對電離層某層進行探測時，將發射機頻率f由低值逐漸增高,當f＝fN時，n＝0，電波就從與N 相對應的高度反射回來。如果該層最大電子密度值為Nm，則從該層反射的電波最高頻率為

式中fC為該層的臨界頻率。如果f＞fC,電波將穿過該層入射到更高的電離層次。當 f的值足夠高而使電波能穿過最高的層次時，這個頻率即為整個電離層的穿透頻率。
假設脈衝波群在電離層介質中的傳播速度同在自由空間中一樣，那么，根據反射下來的回波脈衝與發射脈衝之間的時延t，即可決定反射點的高度為

式中 c為真空中的光速。但實際上電離層介質中電波的群速度小於光速c。因此，由上式算出的 h′不是反射點的真正高度 h，它可能比h高得多。通常稱h′為等效高度或虛高。
根據國際的統一規定，垂直探測站從頻高圖度量出E、F1、F2和Es層的臨界頻率和最小虛高等參數,編製成月報表供用戶使用。此外，通過適當的換算還可從頻高圖得出電子密度隨高度的分布。這些資料可用於短波通信頻率預報、電離層騷擾預報、電離層形態分析和其他電離層物理問題的研究。
垂直探測技術採用脈衝壓縮、視頻信號鑑別、調頻連續波等技術，提高了測高儀的抗干擾能力，同時，還出現了能探測電離層運動信息的測高儀。但是，垂直探測技術有它的局限性，例如，難於探測 D層的電離程度、難於獲得E層和F層之間谷區(120～140公里)的信息、不能研究F層峰以上的電離層等,這些缺陷須用其他探測方法加以彌補（見電離層無線電探測）。

配圖

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