電離層垂直探測

使用電離層測高儀從地面對電離層進行的常規探測。測高儀從地面垂直向上發射脈衝調製的高頻無線電波，並在同一地點接收它的反射信號，測量出頻率連續改變的電波來回傳播的時間（稱為時延），從而獲得電離層電子密度的高度分布。

基本介紹

• 中文名：電離層垂直探測
• 測量儀器：電離層測高儀
• 類型：測量方式
• 領域：物理

電離層測高儀

(又稱垂測儀)是布雷特(G. Breit)和圖夫(M.A.Tuve)在1925年發明的。第二次世界大戰前，全球只有少數電離層垂直探測站（簡稱垂測站）。大戰期間，由於改善短波通信的需要，在全世界各地建立了大量的垂測站。在國際地球物理年(IGY)期間，垂測站的數目約達 150個。中國在1949年前有重慶、武昌、蘭州3個站；1949年以後,先後增設了烏魯木齊、滿洲里、長春、北京、廣州、海口等站，形成了中國電離層垂測網，積累了兩個太陽黑子周期以上的資料。

工作頻率

,在寬廣的範圍（如從0.5～30兆赫）內連續改變，基本上是一部短波脈衝雷達。它通常由發射機、接收機、天線、頻率綜合器、顯示記錄器、程式控制器等部分組成。進行探測時，發射機的脈衝調製高頻振盪，通過天線垂直向上發射。當忽略碰撞和磁場的影響時,根據阿普爾頓-哈特里公式（見磁離子理論），電離層介質的折射指數可寫為：

,

式中，稱為電漿頻率(千赫)，f為發射頻率（千赫）,N為電子密度（厘米-3）。將發射機頻率f由小到大調至fN時,電波就從與N相對應的高度反射回來。設電離層某層最大電子密度為Nm,則從該層反射的電波的最高頻率，稱為該層的臨界頻率。如果f>f0,電波將穿過該層進入更高的層次。當f足夠高，使得電波恰能穿過全部層次，則該頻率為整個電離層的穿透頻率。

假設脈衝波在電離層介質中的傳播速度和在真空中一樣，那么根據反射下來的回波脈衝與發射脈衝之間的時延t，可以決定反射點的高度，其中c是真空中的光速。但實際上電離層介質中電磁波的傳播速度小於c，因此由上式算出的h′不是反射點的真正高度h,而比h大，通常稱h′為等效高度或虛高。測高儀記錄下來的h′-f的關係曲線稱為頻高圖或電離圖(圖1)。由於地球磁場的影響，電波分裂為尋常波和非常波兩個分量，於是在電離圖上出現兩個描跡，一個對應於尋常波，一個對應於非常波。當電離層吸收較小時，還常觀測到二次、三次以至多次反射回波。

垂直探測站

從電離圖可以直接讀出E、F1、F2、Es等層的臨界頻率、最小虛高等參數,並可度量出3000公里傳輸因子,編製成月報表。此外,通過適當的換算，還可以從電離圖得出電子密度隨高度分布的剖面曲線(圖2)。

新技術的採用使垂直探測日臻完善。例如能探測電離層反射點附近電子快速運動技術，提高測高儀的抗干擾能力的脈衝壓縮、視頻信號鑑別、調頻連續波技術，電離圖的度量、處理方面的自動化和數位化技術等。

但垂直探測也有它的局限性：難於探測 D層的電離狀態，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。這些問題需要由其他探測方法來解決（見電離層探測）。（見彩圖）

--------------------------------------------------------------------------------

電離層垂直探測

ionospheric vertical sounding

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。

研究發明

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。

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）。