本文在介绍电离层垂直探测方法历史演变的基础上,综合各种现代电离层数字测高仪的特点和方法,以CADI数字测高仪为硬件平台,自主研制完成了数字测高仪系统控制和处理程序,并以此为基础开发成功几种电离层垂直探测中的观测模式,应用这些观测模式开展了实际观测以及数据的分析研究。结果表明,新的观测模式大大提高了CADI数字测高仪的观测能力和性能,对于研究电离层运动和精细结构具有重要意义。首先,详细介绍了CADI数字测高仪的硬件设计、体系结构、系统端口和软件模式,在此基础上,以可视化、多任务、网络化及安全性见长的WINDOWS 2000操作系统为程序运行环境,研制了新的CADI数字测高仪实时控制和处理系统程序。主要包括:用于系统检验和调试的CADITEST2K应用程序,用于模式运行和数据采集的CADIRUN2K应用程序,用于脱机显示和数据分析处理的CADIPLOT2K应用程序,以及用于模式定义文件生成功能的CADIDEFGEN应用程序等。这些程序的研制成功大大提升了CADI数字测高仪的功能、可操作性与易用性。例如,运用WINDOWS操作系统的多任务,使系统控制,数据采集,数据分析,数据处理以及数据显示等不同功能的任务可同时进行,满足了系统实时性要求;使用多进程,实现了频高图实时自动标定,数据的网上实时传输与发布,系统的远程控制等功能,使其达到了现代数字测高仪的先进水平;此外,系统还具有原始数据的存储功能,可根据需要进行事后脱机分析处理,以满足对电离层观测研究的特殊要求。其次,基于CADI数字测高仪灵巧的硬件设计,优秀的操作系统,在自主研制的系统实时控制与处理程序基础上,开发实现了几种电离层垂直探测中新的观测模式。利用相位随时间变化可实时获取高时间分辩率、高精度的多普勒频高图,实现了高精度的实时扰动观测模式,这种模式的实现使得获取的频高图中每个点频的多普勒频移测量精度优于0.1Hz,完全满足电离层扰动观测需要;通过发射频率相差一固定值的两个高频脉冲信号,测量回波信号的相位差,可以获取高精度虚高,利用这一探测原理,实现了电离层虚高的高精度测量模式,这种模式的实现使得电离层虚高测量精度提高一个数量级,由6 km提高到约200米,能够满足对电离层精细结构以及小尺度扰动的观测研究需要;利用数字测高仪接收机的扫频接收功能,通过测量来自空间的各种高频无线电信号和干扰,经过信号的分析处理,可获得干扰重心频率等参数,实现了电离层的被动接收模式。利用该模式得到的干扰重心频率参数与电离层特征参数之一的F2层临界频率foF2的相关系数达到0.84以上。此外,被动接收模式也可获得空间干扰信号能量随时间和频率的分布,以实时监测短波段干扰情况。总之,这一模式的实现为探索研究电离层无源探测方法和技术提供了平台。最后,使用新研制的CADI数字测高仪系统控制、数据实时采集分析处理显示程序,在北京观测站进行了为期数月的连续观测。通过系统的频高图工作模式下所获取的电离层特征参数观测数据,在2006年4月份的一个月间,观察到了三次大的磁暴事件。利用记录的频高图数据,通过参数标定和信息提取,对这三次磁暴事件中的一次事件(2006年4月13日至17日间发生)进行了较为详细的电离层暴时特性分析研究。为了研究磁暴引起的电离层扰动和时空变化特性,我们还利用东亚地区其他14个电离层垂测站的电离层数据和国际GPS服务中心IGS 36个站提供的TEC数据,以及由美国喷气推进动力学实验室提供的Jason-1 TEC数据,对这次磁暴引起的电离层暴效应和电离层扰动及其传播进行细致分析,并对有关效应可能的物理机制进行了探讨。