Fragment książki: KM Borkowski, 1993, Radiowa interferometria
wielkobazowa (VLBI)
, UMK, Toruń (str. 55-57)

    1.4.2 Współczynnik korelacji przy próbkowaniu jednobitowym

W związku z ograniczeniem ilości informacji, którą można zarejestrować w jednostce czasu, w technice VLBI sygnał przed zapisem i późniejszą korelacją normalnie ogranicza się amplitudowo i pasmowo oraz próbkuje zgodnie z kryterium Nyquista (z częstością dwukrotnie większą niż wynosi szerokość zapisywanego pasma, tj. 2Δf). Najczęściej próbkowanie odbywa się jednobitowo, tzn. zamiast oryginalnych przebiegów xi ze wzoru (1.12) do zapisu i późniejszej korelacji bierze się wartość:
x^

i 
={
1,
gdy xi > 0,
1,
gdy xi < 0.
(1.27)



Wzór Van Vlecka (wyprowadzenie)

Każdy z sygnałów x i y odebranych przez dwie anteny interferometru ma rozkład Gaussa. Jeśli są one częściowo skorelowane, to rozkład łącznego prawdopodobieństwa ma postać
p(x,y) =
 1 

2πσxσy


1 – r2
exp[ (x/σx)2 + (y/σy)2– 2r xy/(σxσy)

2(1 – r2)
] ,
gdzie r jest współczynnikiem korelacji, a σi są rozrzutami (dyspersjami) amplitud. Na wynik korelacji w technice VLBI przyjmuje się +1 jeśli oba sygnały mają taki sam znak, zaś –1 gdy są przeciwnego znaku. Prawdopodobieństwo, że sygnały mają ten sam znak wynosi
P = P++ + P- - = 2P++ = 2

0 


0 
p(x,y)  dxdy
 
=

 1 

π


1 – r2


0 


0 
exp[
( x/σx
)2  +  (y/σ)2 – 2r  xy/(σxσy)

–2(1 – r2)
] dx

σx
dy

σy
 
=
1

π


0 


0 
e–(x2 + y2 – 2r xy) /[2(1 – r2)]
dx dy




1 – r2
.
Jedną z całek, np. całkę po y, możemy przekształcić do prostszej postaci przez podstawienie
z =
  y – r x 




1 – r2
      i       dy =

 

1 – r2
 
dz.
Oczywiście, dolna granica całki po z wynosi teraz z = (0 – r x)/√{1 – r2}, co jest równaniem prostej na płaszczyźnie (xz), leżącej pod kątem Θo = –arctan(r/√{1 – r2}) = –arcsin r względem osi x. Mamy zatem
P = 1

π


0 


–r x/√{1 – r2} 
e–(x2 + z2)/2 dzdx.
Przekształcenie x = ρcosΘ, z = ρsinΘ (którego jakobian wynosi ρ) prowadzi do ostatecznego rozwiązania:

P = 1

π


0 
π/2

Θo 
e–ρ2/2ρ  dρdΘ = 1

π
π/2

–arcsin r 
dΘ

0 
e–ρ2/2 d2/2)

= 1

2
+ arcsin r

π
.
Nietrudno zauważyć, iż prawdopodobieństwo, że sygnały mają różne znaki wynosi P′ = 1 – P = 0,5 – (1/π) arcsin r. W korelatorze VLBI oblicza się wartość średnią z różnicy ilości przypadków zgodnych znaków sygnałów i znaków przeciwnych. Wartość oczekiwana wyniku korelacji wynosi zatem
P – P′ = 2

π
arcsin r,
co jest istotą wzoru (1.28).


Tak drastyczne zniekształcenie oznacza m.in., że całkowicie traci się informację o amplitudzie sygnału (!). Niemniej, można stąd odzyskać większość informacji o współczynniku korelacji. Mianowicie, jak pokazał Van Vleck (Van Vleck i Middleton 1966; zob. też Thomas 1969, Hagen i Farley 1973, Marecki 1980), zachodzi:


r(τ) = sin[ π

2
ř
(τ)],
(1.28)
gdzie ř jest współczynnikiem korelacji krzyżowej sygnałów x^i. Informacja o amplitudzie funkcji korelacji (nieznormalizowanej) może być dołączona do współczynnika po dodatkowych kalibracjach:
R(τ) = σx1σx2r(τ),
gdzie σx2 = <x2> reprezentuje średnią moc sygnału rejestrowanego w danej stacji.
Ponieważ w praktyce prawie zawsze ř << 1, to związek (1.28) — nazywany relacją Van Vlecka — można przepisać do:
r(τ) = π

2
ř
(τ).
(1.29)
Już stąd widać, a możemy to stwierdzić pełniejszą analizą, że owo drastyczne ograniczenie prowadzi do spadku czułości — albo stosunku sygnału do szumu — jedynie o czynnik 2/π ≈ 0,6366, albo o około 36 %.



File translated from TEX by TTH, version 3.78. On 26 Jan 2008.