上部电离层是指F2层电子密度最大值所在高度以上的
电离层区域。上部电离层是不能在地面用垂直测高仪进行探测的（见
电离层垂直探测），而必须将小型垂直测高仪放在卫星等飞行器上，在上部电离层或更高的高度上向下探测。顶外探测的主要参量是电子密度随高度的分布。其优点是可以连续获得较大范围的上部电离层电子密度剖面。 顶外探测的基本原理与
电离层垂直探测相同。电离图给出了虚深（或视在高度）与电波频率的关系。虚深是从卫星至电波反射处的距离。电离图中还有寻常波、非常波和Z波描迹（O、X和Z），可以用来推算电子密度分布。fOS、fXS、fZS为这3种波的低频端截止频率,它们相当于电波在卫星高度上的反射频率。fOF2、fXF2为F2层峰值处反射频率的寻常波分量和非常波分量，这些波还可能向下穿透F2层并在Es层或地球表面反射，产生Es层或地球回波的寻常波分量和非常波分量。fT是Z波的高频端截止频率,它是由于发射机浸在等离子体中而产生的。除了这些描迹外，当探测频率等于卫星附近的
等离子体频率时，就会出现等离子谐振频率fN的谐振线；当探测频率等于卫星所在高度的
电子回旋频率时，就会出现电子回旋频率fH的谐振线,或高次谐振现象，其频率为nfH。而上混合谐振频率。此外,当卫星所在区域的电子密度较低，即fI=fH时，还可观测到谐振差拍现象；在非常波描迹上观测到远距谐振现象，它发生在卫星以下高度，此时非常波的反射波频率等于2fH。