簡介

近代電離層研究發展過程中，電離層探測儀(Ionosonde)是最先使用的一種觀測儀器，藉由它發現到電離層不規則體的存在。電離層探測儀像雷達一樣，是一種主動探測系統，意即電離層探測儀不是被動接收訊號，而是主動發射訊號再經由電離層的反射來探測電離層的各種結構。由於電離層中的主要成分為游離後的帶電粒子。當電磁波在電離層中行進時，遇到不同的帶電粒子密度，其折射指數就不同。原則上電磁波的折射指數大致滿足：

折射指數² = 1 – ( 電漿頻率 / 電磁波頻率 )²

根據此關係式，電漿頻率會與電子密度成正比，而折射指數大約隨電漿頻率與電磁波頻率之比值增加而減少。因此，同一頻率的電磁波其折射指數會隨電漿密度增加而減少。當入射電磁波的頻率等於電漿頻率時，折射指數等於零，此時發生全反射現象。電離層探測儀利用前述的反射特性，採用掃頻方式(Sweeping)發射頻率1 MHz至20 MHz的電磁波。當發射的電磁波頻率與電離層特定高度的電漿頻率相同而發生反射現象時，電磁波將自此高度返回地面，電離層探測儀天線將接收此回波。

接收到回波信號後，電離層探測儀依照電磁波的傳播時間計算出虛高(Virtual height)，並得出電離圖(Ionogram)。其中虛高為虛擬高度，是假設電磁波全程在真空中以光速傳播，但實際上該電磁波在反射前可能已經穿過一段非真空的電漿區，但由於電漿密度不夠高，而不足以反射該頻率電磁波。電磁波在此電漿區的傳播速率不等於光速，故此表示電磁波真實的反射點高度的實高(True height)將異於虛高。

若對電離圖上各項參數變化進行分析，可研究在不同緯度、日夜、季節、太陽黑子數狀態下，電離層的電漿分佈變化情形。

1. 電離圖之範例
   下圖左方為各項電離層參數，紅色曲線代表正常波的反射點虛高，綠色曲線代表異常波的反射點虛高，黑色實線代表正常波反射點的實高，縱軸為高度，單位為公里，橫軸為發射電磁波之頻率，單位為MHz。經過實高分析(true height analysis)將反射點的虛高轉換為實高後，得出電漿密度隨實際高度變化的情況。因電離層探測儀採用全反射原理進行運作，故地面電離層探測儀的觀測範圍只限於電離層中最大電漿濃度下方的電離層。目前電離層最大電漿濃度上方的電漿密度垂直分佈通常有賴理論模式的估算，或由太空站或人造衛星向下發射電磁波來測量。
2. 電離層探測儀特性
   發射頻率範圍: 1.0 MHz至20 MHz
   掃頻週期: 15 s至5 min
   最大觀測高度: 1000 km
   發射峰值功率: 1 kW至10 kW
   頻率解析度: 0.1 MHz
   高度解析度: 1.0 km
   每秒發射脈波數目: 50/s
   發射脈波週期: 30 μs

儀器設備

科學家於1920年代就知道利用垂直發射和接收電磁波的時間差估測出電離層電漿濃度隨高度變化，到了1960年代，科學家發展出數位式電離層探測儀(Digital ionosonde)，數位式電離層探測儀整合了電腦控制功能，可測量多項電離層參數並進行運算分析。

目前台灣用來觀測電離層的兩種電離層探測儀分別是IPS-42(Ionospheric Prediction Service IPS)、和DPS(Digital Portable Sounder)和CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)。

1. IPS-42之主控制台
   IPS-42包括主控制台、天線系統、發射機和接收機，IPS-42整體重量約為52公斤。主控制台用以發射和接收電磁波、處理訊號並且儲存資料。天線系統是由兩組Delta天線構成，連接於發射機和接收機。發射機的最大操作功率為5kW，電磁波的發射頻率範圍為1-22.6MHz，發射頻率值依照對數方式漸增，並可設定發射間隔時間為1分鐘、5分鐘或15分鐘等。IPS-42是類比式裝置，訊號處理能力較弱，故其觀測結果僅能藉由電離圖表示，然而，此種電離層觀測儀的結構簡單且能長時間穩定操作，進行觀測，所以現今依然持續被使用著。
2. DPS之主控制台
   DPS主控制台具有類比式次系統(analog subsystem)、數位處理(digital processing)、控制次系統(control subsystem)以及電源供應次系統(power supply subsystem)四部份，整體重量約為50公斤。數位處理和控制次系統採用80486嵌入式系統-MBC和SBC，MBC用以控制DPS運作和處理訊號，SBC用以判讀電離層參數、算出實高和連接網路。DPS操作功率為300W，發射頻率範圍1-40MHz，發射頻率以線性方式遞增，遞增量可調整為1、25、50或100kHz。它由20-60公尺高的兩組Cross Delta天線構成發射天線，四個Cross Loop天線以陣列方式排列構成接收天線，接收天線分為平行地磁場和垂直地磁場兩組，用以接收因地磁場而極化的電磁波。故DPS能辨別接收的回波屬於正常波（O-mode，其電磁波電場平行地磁場）或是異常波（X-mode，其電磁波電場垂直地磁場）。
   DPS為數位式電離層觀測儀，當DPS接收回波信號後，經過一連串信號處理過程，針對傳播時間、頻率、振幅、相位、都卜勒頻移量、電磁波極化和折返角度進行運算，得出多項電離層參數，以對各種電漿結構進行定位及特性分析。DPS內建ARTIST實高轉換程式(Automatic Real Time Ionogram Scale True Height)，能即時由回波虛高分佈算出實高，接著推算對應實高的各項參數值。DPS具備多種傳統電離層觀測模式和漂移觀測模式，漂移觀測模式能夠觀測電漿漂移速度。當DPS操作於漂移模式時，發射具有一或多個頻率的電磁波，接收天線接收回波信號，經由傅立葉轉換並採用干涉法原理進行計算，可得出反射點位置及其對應的電漿漂移速度。迄今超過80台的DPS運作於全球，觀測結果即時地公布於網路上。

特別感謝劉正彥老師提供本資料庫電離層探測儀(CADI)資料。