Korrelator

Ein Korrelator ist ein optisches oder elektronisches Messinstrument, das zwei Eingangssignale durch Berechnung ihrer Kreuzkorrelation vergleicht und eine Ausgabe erzeugt, die anzeigt, wie gut ein Signal mit dem anderen korreliert, als Funktion der Zeitverzögerung oder räumlichen Verschiebung. In optischen Systemen nutzt das Gerät typischerweise kohärentes Licht, Linsen und ein Detektor-Array, um diesen Vergleich parallel an vielen Punkten gleichzeitig durchzuführen, was es für bestimmte Anwendungen erheblich schneller macht als sequenzielle elektronische Verfahren.

Der optische Korrelator funktioniert, indem ein Signal auf einem räumlichen Lichtmodulator oder fotografischen Maske kodiert wird, diese mit einem kohärenten Laserstrahl beleuchtet wird und Fourier-Optik verwendet wird, um die Korrelation in Echtzeit durch ein 4f-Optiksystem zu erreichen. Die Ausgabe erscheint als Korrelationsebene, die von einem CCD- oder Photodioden-Array erfasst wird. Elektronische Korrelatore dagegen multiplizieren Abtastwerte aus jedem Signal und integrieren die Produkte, dann wiederholen sie dies für aufeinanderfolgende Zeitverzögerungen, wodurch sie langsamer, aber flexibler für niederfrequente Signale sind.

Einsatzgebiete von Korrelatore

Optische Korrelatore waren historisch entscheidend für die RadarSignalverarbeitung, Mustererkennung und Zielerfassung, bevor digitale Signalprozessoren schnell genug wurden, um konkurrenzfähig zu sein. Sie bleiben wertvoll beim schnellen Bildabgleich, bei der Analyse von Satellitenimagerie und bei der Überprüfung von seismischen oder Sonarströmen. Elektronische Korrelatore sind heute Standard in der Telekommunikation, wo sie schwache, im Rauschen vergrabene Signale extrahieren und die Datentiming zwischen Sender und Empfänger abgleichen.

Der Name kommt direkt von der mathematischen Operation, die dem Gerät zugrunde liegt: Korrelation misst, wie ähnlich sich eine Wellenform einer anderen in der Zeit verschobenen Wellenform ist. Eine starke Korrelation (scharfer Gipfel in der Ausgabe) bedeutet gute Übereinstimmung; eine flache Ausgabe bedeutet, die Signale sind unabhängig. Der Korrelator ist im Wesentlichen eine Hardware-Implementierung dieses Vergleichs, wobei Programmierbarkeitflexibilität gegen Geschwindigkeit oder optische Eleganz getauscht wird.

Moderne Systeme nutzen oft digitale Korrelatore, die in feldprogrammierbaren Gate-Arrays oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen implementiert sind und die Geschwindigkeitsvorteile optischer Systeme mit der Programmierbarkeit und Miniaturisierung von Elektronik kombinieren. Allerdings bleiben optische Korrelatore in Spezialanwendungen relevant, wo Analog-Signalbandbreite und Verarbeitungslatenzen kritische Einschränkungen darstellen, die digitale Systeme nicht überwinden können.