什么是电离层垂直探测?

[拼音]：dianliceng chuizhi tance

[外文]：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。

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＞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。

根据国际的统一规定，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）。