(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。

,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>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(图1)。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。

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(图2)。

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）。（见彩图）

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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。

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）。

根据信标信号通过电离层的传播特性来探测电离层特性参量的方法。利用火箭、卫星等飞行器把信标机带到电离层上空，信标信号通过电离层将产生频率偏移、电波偏振面旋转和闪烁等效应。根据这些效应来探测电离层特性的方法主要有:

信标微分多普勒频移法 信标信号通过电离层的频率偏移就是电离层多普勒效应(见电离层无线电波传播)。信标信号频率偏移通常包括运动效应和介质效应，前者比后者大得多，而要分离它们颇费周折。因此，根据运动效应与频率成正比，而介质效应与频率的平方成反比的特点，在飞行器上发射两个不同倍数的倍频信号，并在地面接收这两个频率信号，消去运动效应项，剩下介质效应差分值，这就是微分多普勒频移。利用这种方法可以推算沿电波路径上的总电子含量。微分多普勒频移对总电子含量的水平梯度十分敏感，故还可以用来研究电离层大尺度、中尺度的不均匀结构和电离层行进式扰动(TID)等。

法拉第旋转效应法 电波通过电离层时偏振面旋转称为法拉第旋转效应(见电离层无线电波传播)。某一点偏振面相对于原始偏振面旋转的角度与电波路径上的总电子含量成一定比例，根据这一原理，在地面接收电离层上空的信标机发射信号，测量其电波偏振面的旋转角或它的时间变化率(称法拉第频率)，即可推算电波路径上的总电子含量。为了消除旋转角的多值性，通常采用的办法是信标机双频工作,即测量相隔一个小量Δf的两个频率的旋转角差 ΔΩ来确定旋转角Ω。这时，Ω=(2f/Δf)ΔΩ，式中f为信号频率。因为旋转角与频率平方成反比，所以为获得较大的旋转角值应采用较低频率，但为使电波能穿过电离层，采用的频率又必须大于F层的临界频率。对20兆赫电波,穿过整个电离层后的旋转角大约为10~50转,而100兆赫电波穿过电离层后的旋转角则为0.4~2转。法拉第旋转测量对总电子含量的水平梯度是十分敏感的，故研究电离层大尺度、中尺度的不均匀结构，电离层行进式扰动等现象是十分有用的。

闪烁效应法 当电波穿过电子密度不均匀的电离层时，就好像光通过光栅那样，会产生"衍射"。而不均匀体的运动，会使衍射条纹相对地面移动，于是地面接收信号的振幅和相位发生起伏变化。这种现象称为闪烁现象。接收卫星信标或外空射电星辐射，从高频波段高端直到几千兆赫的频率，都能观测到这种现象。通常在地面多点接收，分析闪烁现象的信标信号信息，可以研究高层大气小尺度不均匀结构及其分布和运动。因为这种闪烁现象在极区和赤道地区出现较多，所以常在这些地区进行观测。

电离层探测分直接探测和间接探测。直接探测是用火箭、卫星等空间飞行器，将探测装置携带到电离层中，探测电离层等离子体或环境对装置的直接作用，以获得电离层特性参量(见电离层直接探测);间接探测是依据天然辐射或人工发射机发射的电磁波通过电离层传播时与等离子体相互作用所产生的电磁效应或传播特征，推算出电离层特性参量。间接探测主要有电离层垂直探测、电离层高频斜向探测、非相干散射探测以及电磁波电离层吸收测量等。