1.  非相干散射探测(incoherent scattering sounding) | | 非相干散射探测
incoherent scattering sounding
电波在电离层中由于受到准平衡电子密度随机热起伏影响而引起散射，接收这种能量从而获取电离层物理参数的电离层探测方法，称为非相干散射探测。非相干散射探测能获取多种电离层参数，是一种在地面上探测电离层的最有效的手段，可以获得作为时间和空间函数的电离层形态的几乎完整的结构。但是，由于散射信号十分微弱，且类似于某种有色噪声，必须具有兆瓦量级的脉冲功率发射设备、低噪声接收设备和复杂的信息处理技术和设备，才能将它们从探测系统内外的噪声背景中提取出来，实现电离层参数的精确测量。
美国W.E.戈登在1958年最先提出用当时的大功率雷达可能探测到电离层的后向散射回波信号。他认为这种散射是相互独立的电子所产生的汤姆逊散射，也就是说，雷达电波照射到电离层的有限体积上，其中每个电子都会散射电波。由于电子处于随机的热运动状态，在空间变化小于电波波长的条件下，各个电子的散射信号是非相干的。在雷达接收机输入端，散射信号是功率相加的，其大小与散射区的电子密度成正比，功率谱呈高斯曲线形状,谱宽度与散射区的电子热运动温度有关。后来,美国K.L.波利斯通过实验证实了戈登关于电离层中有电子存在，可以观测到散射回波的设想。但是，观测到的散射现象比预想的复杂得多，特别明显的是散射信号的功率谱宽比预想的窄得多。后来，许多学者对理论进行了修正，他们认为，电离层的电子浸在离子云之中，粒子之间存在库仑力，在库仑力起显著作用的范围内的电子受正离子的束缚较强，它们并不完全独立，散射信号是部分相干的。他们用不同的理论模型进行研究，获得几乎完全一致的结果。
非相干散射回波信号的功率、能谱(或自相关函数)和极化都是可测的，它们是电离层等离子体下述参数的函数：①电子密度；②电子温度和离子温度；③离子组成（主要成分）；④电子-中性粒子碰撞频率;⑤光电子速度分布；⑥等离子体平均漂移速度；⑦电子相对离子的漂移速度(电流强度)等。可以通过各种测量方法测出一定高度范围内相应的主要参数。测量电子密度的方法主要有两种：一种是确定后向散射辐射中等离子线的位置，称为等离子线法；另一种是基于接收到的后向散射能量总和与电子密度成比例的关系以推算电子密度等参数的功率法。一般探测F层的电子密度,电子温度和离子温度的误差典型值为5％～10％,中性成分误差约为10％，漂移速度精度为1～10米/秒，获得一个剖面图所需的测量时间约为 5～10分钟。非相干散射探测有单站型和多站型两种布站方式。单站型适合于预测参数的垂直分布，最著名的站是美国建在波多黎各的阿雷西博站，其天线反射器直径达300米，频率430兆赫,峰值发射功率2兆瓦。多站型适于预测运动，最典型的是欧洲六国在北欧建立的非相干散射雷达系统。
非相干散射探测 incoherent scatter sounding
根据介电常数的热随机起伏引起电磁波散射的原理，从地面上用大功率雷达探测电离层特性的方法。
单个自由电子对电磁波的散射称为汤姆孙散射或非相干散射。1958年戈登 (W.E.Gordon)指出,电离层中的自由电子对无线电波的散射可以非相干叠加，而用地面大功率雷达有可能测到散射回波。同年 10月鲍尔斯(K.L.Bowles)测得了电离层的散射回波。从那时起,用大功率雷达探测电离层的这种方法称为非相干散射探测。然而，实践和理论都证实这个名称并不确切，因为真正的非相干散射要求雷达工作波长λ远小于等离子体德拜长度D，实际探测中是λ>D。同时,鲍尔斯还发现接收信号的多普勒频移远小于根据电子随机热速度推算出来的预想值，这说明接收到的是等离子体热随机起伏引起的散射而不是自由电子散射。
非相干散射回波信号的功率、频谱(或自相关函数)等都是可测量的。通常有 3种测量方法：①确定散射辐射中等离子线的位置，称为等离子线法；②基于散射能量总和与电子密度的比例关系推算电子密度等参数，称为功率法；③法拉第旋转法（见电离层无线电波传播）。
非相干散射雷达有单站型和多站型。一般单站型有利于电离层垂直分布测量，多站型有利于测量电离层运动。单站型中最著名的是阿雷西沃站(波多黎各,18.3°N，66.8°W)，其天线反射器直径300米，工作频率430兆赫，峰值发射功率 2兆瓦，平均发射功率 100千瓦，垂直向上发射脉冲波。多站型中最早的是法国非相干散射雷达（发射站在圣桑坦,44.65°N，2.19°E；接收站在南锡，47.37°N， 2.10°E）。到1980年为止,世界各国建成运转的非相干散射探测系统总共不到10部，它们的探测能力不同，在地理分布上很不平衡，南半球只有一部（秘鲁，利马附近，11.95°S，76.87°W）。
以阿雷西沃站为例，它的典型探测参量及其探测高度的范围为：电子密度，85～6000公里；电子温度、正离子温度,夜间为200公里以下,白天为100公里以上；离子成分,2000公里以上；离子-中性粒子碰撞频率，80～120公里；等离子体漂移速度，85～700公里。此外，有时还能观测或间接推算的参量有：光电子通量、电场强度、电流密度、中性大气温度、电子－中性粒子碰撞频率、中性大气风速、中性成分、热能通量等。
通常用非相干散射雷达探测F层时,电子密度、电子温度、离子温度的误差的典型值估计为 5～10％或更小些,中性成分误差约为10％，漂移速度的测量精度为1～10米/秒。获得一幅剖面图所需的测量时间不超过5～10分钟。
非相干散射探测提供了一种从地面上研究电离层的非常有效的手段。这种探测获得的电离层参数多而且有较高的时间分辨率和高度分辨率，所以，它能获取作为时间空间函数的电离层形态的相当完整的资料。
非相干散射探测高度范围约为80～6000公里，因此它不仅是电离层物理学研究的有效手段，也可为磁层的动力学研究提供重要资料。
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