電離層無線電探測，是一種利用電子學裝置和無線電波傳播效應觀測研究地球高空電離層的技術。該探測方法一直沿用至今。
基本介紹
- 中文名：電離層無線電探測
- 外文名：Radio sounding of the ionosphere
- 解釋：研究地球高空電離層的技術
- 套用：空間飛行器
技術簡介,探測方法,參考書目,
技術簡介
利用電子學裝置和無線電波傳播效應觀測研究地球高空電離層。英國E.V.阿普頓和M.A.F.巴尼特以及美國G.布賴特和M.A.圖夫分別用連續波和脈衝波的實驗方法證實了電離層的存在，開創了用無線電方法探測電離層的技術。他們所使用的探測方法一直沿用至今。
40年代後期和50年代，人們開始使用火箭、衛星等空間飛行器對電離層進行無線電探測和直接探測。電離層的變化主要受太陽輻射的影響，在時間上分為11年的周期變化、季節變化、逐日變化和晝夜變化；在空間上隨高度、緯度和經度而變化。但是，太陽輻射本身的變化並不完全是規則的,此外還有多種因素會影響電離層的狀態,因此，電離層這一重要的傳播介質具有十分複雜的特性結構和時、空變化，需要在全球範圍內對它進行長期監視和探測。可以採用多種無線電工作方式和傳播原理，從不同空間角度來探測電離層的各部位及其基本參數。
探測部位分為電離層頂部（即上電離層）和底部（以 F層峰值高度為分界線），其中底部又分為F層下部和E層所在的電離層主體部分、E層底部和D層所在的低電離層。主要探測參數是電波反射高度、電子總含量、電子密度、電子溫度、高空大氣成分、離子密度、離子溫度、電子同其他粒子間的碰撞頻率等。
探測方法
地面無線電探測方法 地面無線電探測方法包括電離層垂直探測、電離層斜向探測、電離層斜向返回探測、非相干散射探測和低電離層探測等。
電離層垂直探測 是最基本的探測方法。
電離層斜向探測 將垂直探測方法中的發射和接收設備分別置於地面上相隔一定距離的兩處，用某種方法實現收、發同步，然後測量電離層反射回波時延隨頻率的變化，得出斜向探測電離圖。
電離層斜向返回探測 由地面設備發射短波脈衝斜向射入電離層,經反射後回到地面,部分地面散射波沿原來路徑返回發射點。測定脈衝往返一次的傳播時延，從而獲得大面積範圍內頻率－時延特徵和電離層短波傳播參數（見高頻返回散射）。
非相干散射探測 一種電離層縱深探測手段，可獲得70～1000或2000公里高度內的電子和離子的密度和溫度以及電離層漂移等數據。
低電離層探測 低電離層是較難探測的一個空域。由於中、短波在低電離層中的吸收太大，所以很難獲得這一空域的普通回波電離圖。主要的探測手段有交叉調製法、部分反射法和長波傳播法等。
① 交叉調製法：這種方法是利用電離層的非線性效應,用某一頻率的無線電波對電離層進行加熱調變,使電子溫度上升，造成碰撞頻率和吸收的改變，使在同一電離層空域中傳播的另一頻率的無線電波受到交叉調製，對其進行觀測分析即可獲得低電離層參數（見電離層調變）。
② 部分反射法：觀測中波和短波強力脈衝在低電離層不均勻體上微弱的部分反射，分析回波的尋常分量與非常分量的振幅比，求得低電離層基本數據。
③ 長波傳播法：使用長波、超長波甚至極長波研究100公里以下的電離層,分析頻率高度穩定的多頻或單頻電波在不同路徑斜向傳播時的電波相位延遲、振幅分布，以及尋常波與非常波的關係，從而獲得低電離層特性。
此外，還有流星余跡法(見流星余跡電波散射)、天電哨聲法（見哨聲）、雷射雷達法等其他探測方法。
地面無線電探測主要的測量項目有回波時延、電離層吸收和電離層漂移。
① 回波時延測量：射頻脈衝在電離層中的傳播速度與電子密度有關，一般小於真空中的光速。因此，垂直探測、斜向探測和斜向返回探測所獲得的電離圖，並不直接反映電離層反射層的真實高度。以垂直探測為例，測量出脈衝從地面到反射層再返回地面的時延墹t，因脈衝傳播速度與真空中的光速c相等，可得式中h′稱為虛高度，通常以此作為探測記錄。顯然，反射層的虛高度與真實高度並不相等。頻高圖的一項重要的數據處理內容，就是進行從虛高度推出真實高度的換算。
② 電離層吸收測量：測量短波脈衝經電離層反射後的回波振幅衰減的專用設備稱為吸收儀。電波在反射層經受偏區吸收，往返通過反射層之下的電離區域時又經受非偏區吸收。這兩種吸收造成回波振幅衰減，因而由反射係數ρ可以推算出吸收指數K，其關係式為式中ds為路徑元。在實際測量中，ρ可通過一次回波振幅與發射常數的關係求得，更常用的是從比較一次與二次回波振幅而求得。用分貝表示的電離層吸收為
電離層垂直探測 是最基本的探測方法。
電離層斜向探測 將垂直探測方法中的發射和接收設備分別置於地面上相隔一定距離的兩處，用某種方法實現收、發同步，然後測量電離層反射回波時延隨頻率的變化，得出斜向探測電離圖。
電離層斜向返回探測 由地面設備發射短波脈衝斜向射入電離層,經反射後回到地面,部分地面散射波沿原來路徑返回發射點。測定脈衝往返一次的傳播時延，從而獲得大面積範圍內頻率－時延特徵和電離層短波傳播參數（見高頻返回散射）。
非相干散射探測 一種電離層縱深探測手段，可獲得70～1000或2000公里高度內的電子和離子的密度和溫度以及電離層漂移等數據。
低電離層探測 低電離層是較難探測的一個空域。由於中、短波在低電離層中的吸收太大，所以很難獲得這一空域的普通回波電離圖。主要的探測手段有交叉調製法、部分反射法和長波傳播法等。
① 交叉調製法：這種方法是利用電離層的非線性效應,用某一頻率的無線電波對電離層進行加熱調變,使電子溫度上升，造成碰撞頻率和吸收的改變，使在同一電離層空域中傳播的另一頻率的無線電波受到交叉調製，對其進行觀測分析即可獲得低電離層參數（見電離層調變）。
② 部分反射法：觀測中波和短波強力脈衝在低電離層不均勻體上微弱的部分反射，分析回波的尋常分量與非常分量的振幅比，求得低電離層基本數據。
③ 長波傳播法：使用長波、超長波甚至極長波研究100公里以下的電離層,分析頻率高度穩定的多頻或單頻電波在不同路徑斜向傳播時的電波相位延遲、振幅分布，以及尋常波與非常波的關係，從而獲得低電離層特性。
此外，還有流星余跡法(見流星余跡電波散射)、天電哨聲法（見哨聲）、雷射雷達法等其他探測方法。
地面無線電探測主要的測量項目有回波時延、電離層吸收和電離層漂移。
① 回波時延測量：射頻脈衝在電離層中的傳播速度與電子密度有關，一般小於真空中的光速。因此，垂直探測、斜向探測和斜向返回探測所獲得的電離圖，並不直接反映電離層反射層的真實高度。以垂直探測為例，測量出脈衝從地面到反射層再返回地面的時延墹t，因脈衝傳播速度與真空中的光速c相等，可得式中h′稱為虛高度，通常以此作為探測記錄。顯然，反射層的虛高度與真實高度並不相等。頻高圖的一項重要的數據處理內容，就是進行從虛高度推出真實高度的換算。
② 電離層吸收測量：測量短波脈衝經電離層反射後的回波振幅衰減的專用設備稱為吸收儀。電波在反射層經受偏區吸收，往返通過反射層之下的電離區域時又經受非偏區吸收。這兩種吸收造成回波振幅衰減，因而由反射係數ρ可以推算出吸收指數K，其關係式為式中ds為路徑元。在實際測量中，ρ可通過一次回波振幅與發射常數的關係求得，更常用的是從比較一次與二次回波振幅而求得。用分貝表示的電離層吸收為
L=20lg(2I2/I1)+20lgρg
式中I1和I2分別為電離層一次和二次回波的振幅;ρg為地面視反射係數。測量電離層吸收的其他方法還有：使用電離層相對混濁度儀測量 30～100兆赫宇宙射電噪聲在電離層中的吸收；比對廣播電台發射的載波振幅變化；由電離圖中f的變化確定電離層吸收；使用地面台站測定接近磁旋頻率時回波尋常波與非常波之間的差分吸收；使用空間飛行器進行高頻、超高頻差分吸收測定等。吸收和場強的數據對短波遠距離通信和電離層動力學碰撞過程的研究甚為重要。
③ 電離層漂移測量：漂移測量有助於研究電離層精細結構和運動。垂直發射2～10兆赫短波脈衝,並在三副間距約為一個波長的接收天線上檢出回波振幅，以測定電離層水平漂移的速度和方向，確定電離層的隨機運動和不均勻性。電離層漂移會引起電波的都卜勒頻移，因此，用測量回波的都卜勒頻移的方法也可以測出電離層漂移。
火箭和衛星探測方法 利用火箭或衛星裝載專用儀器，單獨或與地面配合進行電離層探測。這種方法的主要優點是可以進行現場測量,對電離層頂部進行探測,也可以在更廣泛的空間範圍內探測電離層。
電離層頂部探測 將小型化測高儀裝載在衛星上，向下探測衛星高度至電離層最大電子密度高度之間的頂部電離層電離圖。除了反射回波的時延信息外，還可以觀測到一系列電離層諧振現象。這是探測頂部電離層的一種非常有效的手段。
法拉第旋轉觀測 利用這種方法接收火箭、低軌衛星特別是同步衛星所發出的高頻、超高頻和微波信標的線性極化信號，並測出發射電波到達接收點時極化面的法拉第旋轉量Ω，通過下列方程求得電離層 2000公里高度以下電子總含量(TEC)即積分電子密度。式中K為常數；f為信標頻率；N為電子密度；h為高度；θ為地磁場方向與射線方向之間的夾角；χ為射線天頂角，為高空定點定向年平均磁場因子。此外還可以通過對月球雷達回波的法拉第效應記錄求出電離層電子總含量。這時因電波往返跨越電離層兩次，實際法拉第旋轉量應是記錄所得的一半。
都卜勒頻移觀測 都卜勒頻移由波源(或次級波源)對觀察點的相對運動而引起，對它進行分析即可獲得電子總含量和電離漂移等信息。空間飛行器發射兩個高頻相干電磁波f1和f2=mf2(式中整數m通常為5～9)。當f1大於電離層電漿頻率時，求出地面接收到的微分都卜勒差拍墹f，對其積分即可求得飛行器高度以下的電子總含量。
③ 電離層漂移測量：漂移測量有助於研究電離層精細結構和運動。垂直發射2～10兆赫短波脈衝,並在三副間距約為一個波長的接收天線上檢出回波振幅，以測定電離層水平漂移的速度和方向，確定電離層的隨機運動和不均勻性。電離層漂移會引起電波的都卜勒頻移，因此，用測量回波的都卜勒頻移的方法也可以測出電離層漂移。
火箭和衛星探測方法 利用火箭或衛星裝載專用儀器，單獨或與地面配合進行電離層探測。這種方法的主要優點是可以進行現場測量,對電離層頂部進行探測,也可以在更廣泛的空間範圍內探測電離層。
電離層頂部探測 將小型化測高儀裝載在衛星上，向下探測衛星高度至電離層最大電子密度高度之間的頂部電離層電離圖。除了反射回波的時延信息外，還可以觀測到一系列電離層諧振現象。這是探測頂部電離層的一種非常有效的手段。
法拉第旋轉觀測 利用這種方法接收火箭、低軌衛星特別是同步衛星所發出的高頻、超高頻和微波信標的線性極化信號，並測出發射電波到達接收點時極化面的法拉第旋轉量Ω，通過下列方程求得電離層 2000公里高度以下電子總含量(TEC)即積分電子密度。式中K為常數；f為信標頻率；N為電子密度；h為高度；θ為地磁場方向與射線方向之間的夾角；χ為射線天頂角，為高空定點定向年平均磁場因子。此外還可以通過對月球雷達回波的法拉第效應記錄求出電離層電子總含量。這時因電波往返跨越電離層兩次，實際法拉第旋轉量應是記錄所得的一半。
都卜勒頻移觀測 都卜勒頻移由波源(或次級波源)對觀察點的相對運動而引起，對它進行分析即可獲得電子總含量和電離漂移等信息。空間飛行器發射兩個高頻相干電磁波f1和f2=mf2(式中整數m通常為5～9)。當f1大於電離層電漿頻率時，求出地面接收到的微分都卜勒差拍墹f，對其積分即可求得飛行器高度以下的電子總含量。
參考書目
A.Giraud and M.Petit，Ionospheric Techniques and Phenomena,D. Reidel Pub.Co.,Dordrecht,1978.
