频率数的是单位时间里的圈数
时间用相对某个起点的天数,频率用每天几周,周期则用每周几天。正弦的角度采用弧度,因此频率乘时间以后,还要乘一整圈的弧度数。初相位说明恒星从一轮变化的哪里开始。
浏览器里的人工源平均归一化强度为一,半振幅 0.23,周期 0.635 天。半振幅指从平均值到峰值的距离。这里采用正弦源,真实 RR Lyrae 的轮廓通常更不对称。无论怎么改计划,源周期都保持不变。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1 · OGLE-IV LMC RR Lyrae official data README
规则采样数不出多转的整圈
假定每次拍摄相隔同一段时间,另有一个起始时刻偏移。把源频率加上整数倍的拍摄频率。在第 n 次拍摄,新角度比原来多了整数个整圈,以及一个常数。调整初相位消去常数,每次采到的正弦值就完全相同。
负频率可以用正频率配上反射的相位表示,因此混叠频率写成绝对值。推导采用严格等间隔时刻,并允许拟合正弦的相位和振幅。总在相同相位多拍几次,也分不开这一族解。
对于频率范围事先受限的信号,规则采样的 Nyquist 定理可以在拍摄频率的一半以下选出唯一表示。限制来自对允许信号的假设。如果恒星可能变化得更快,慢序列仍然可以模仿它的测量。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1 · Astropy 8.0.2 Lomb–Scargle documentation
例题:十五小时的星,看起来更慢
每天拍一次周期 0.635 天的人工变星,源频率约为每天 1.57480 周。减去两倍拍摄频率再取绝对值,得到每天 0.42520 周,对应约 2.352 天。只减一次,还会得到约 1.740 天的候选。它们都是同一批样本的每日混叠。
浏览器用固定频率网格搜索,报告值因此落在离散格点上。种子 707 的每夜一次运行选中 2.35294 天,功率 0.9352;改成每夜分散三次拍摄,选中 0.634921 天。第一份计划没有让恒星变慢,第二份也没有让它变快。
这组代表性合成探测结果由 acquireCadence 生成,使用固定源、二十四个名义夜晚和五分钟曝光。探测噪声随导出种子变化。解析混叠关系对规则瞬时采样精确成立;已知曝光响应还会改变振幅,下面再算。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1
不规则时刻也有自己的窗口
时刻不规则时,没有一个拍摄频率能代入严格混叠式。可以改用小箭头相加:对每个试探频率,让每次观测贡献一根单位箭头,角度由频率乘时刻再换成弧度。复指数只是把余弦、正弦两个坐标写在一起。
箭头对齐时,总和很长。每天规则拍摄,会在每天一周及其倍频处对齐;时间抖动让各根箭头错开。把总长平方除以样本数平方,就得到窗口功率,零频处为一。
这条窗口只由时刻决定,用来预告采样容易留下哪些竞争结构,本身不是实测恒星谱。给恒定信号做浮动均值拟合,会得到没有变化;这里直接把时刻箭头相加,连零频分量一起保留。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1 · Astropy 8.0.2 Lomb–Scargle documentation
快门会把一段时间平均起来
相机拍下的不是无限短的一点。矩形曝光把以时间戳为中心的一小段强度平均起来。积分正弦后,保留中点相位,但振幅多了 sinc 因子。慢变化几乎原样留下,快振荡则可能在一次曝光内相互抵消。
五分钟曝光配上 0.635 天周期,振幅约乘 0.99995,点采样近似很好。频率更高时,即使不规则时刻能分辨相位,曝光平均仍可能压低信号。时间戳精度与积分时长,是两种不同限制。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1 · Patterson et al., ZTF Alert Distribution System, arXiv v1
短闪光可以完整落在空档里
先考虑间隔固定的理想瞬时拍摄,以及起始相位均匀随机、持续 D 的矩形闪光。闪光短于拍摄间隔时,能让一次拍摄落进去的相位比例,就是持续时间除以间隔。这是还没考虑噪声和阈值的重叠概率。
有限曝光会扩大重叠相位范围,但部分重叠也会稀释平均强度,未必越过探测阈值。浏览器因此先让高斯闪光经过每次实际曝光平均,再加噪声、检查触发。处理时间改变的是探测以后警报什么时候到,不改变入射光子有没有被收集。
对应阅读:VanderPlas, Understanding the Lomb–Scargle Periodogram, arXiv v1 · Patterson et al., ZTF Alert Distribution System, arXiv v1