<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "https://jats.nlm.nih.gov/nlm-dtd/publishing/3.0/journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0" article-type="research-article">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">ASCMO</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Advances in Statistical Climatology, Meteorology and Oceanography</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">ASCMO</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Adv. Stat. Clim. Meteorol. Oceanogr.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">2364-3587</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/ascmo-12-59-2026</article-id><title-group><article-title>Asymptotically-unbiased nonparametric estimation  of the power spectral density from uniformly-spaced  data with missing samples</article-title><alt-title>Asymptotically-unbiased nonparametric estimation of the power spectral density</alt-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Chavanne</surname><given-names>Cédric</given-names></name>
          <email>cedric.chavanne@ensta.org</email>
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Institut des sciences de la mer, Université du Québec à Rimouski, Rimouski, Québec, Canada</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Cédric Chavanne (cedric.chavanne@ensta.org)</corresp></author-notes><pub-date><day>20</day><month>February</month><year>2026</year></pub-date>
      
      <volume>12</volume>
      <issue>1</issue>
      <fpage>59</fpage><lpage>72</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>26</day><month>June</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>29</day><month>January</month><year>2026</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>31</day><month>January</month><year>2026</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2026 Cédric Chavanne</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026.html">This article is available from https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d2e78">The nonparametric estimation of the power spectral density of uniformly-spaced data with missing samples is revisited. Classical estimators, such as the standard periodogram and the Lomb-Scargle periodogram, are biased when samples are missing. The classical method to obtain an asymptotically-unbiased estimator is to take the finite Fourier transform of the standard unbiased estimator of the autocorrelation function. However, the latter estimator is not necessarily positive semidefinite, so its finite Fourier transform can yield negative power spectral density values at some frequencies. To avoid this problem, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.1"/> have proposed taking the absolute value of the finite Fourier transform of the standard unbiased estimator of the autocorrelation function to estimate the power spectral density of data with missing samples. We show that the estimator of power spectral density proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.2"/> is even more biased than classical estimators and should not be used for quantitative analysis of spectral characteristics such as spectral slope in log-log space. We illustrate this using both synthetic data from fractional Brownian processes and actual data from a laboratory experiment of decaying turbulence in an active grid-generated air flow, to which we apply synthetic Bernoulli and batch-Bernoulli sampling functions to simulate missing samples. In fact, negative values of power spectral density estimates for particular realizations of a random process with missing samples should be retained, so that when sufficiently averaged the estimate will be nonnegative, and will not contain the bias induced from taking absolute values as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.3"/> propose. It is also proposed here to use the circular unbiased estimator of the autocorrelation function, the finite Fourier transform of which yields a power spectral density estimator identical to the standard periodogram estimator in the absence of missing samples. Its advantages are reduced variance and reduced computing memory usage compared to the finite Fourier transform of the standard unbiased estimator of the autocorrelation function. Both power spectral density estimators, when sufficiently averaged, are able to recover the <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> spectral slope of the decaying turbulence data even when 50 % of the data are missing. A Matlab implementation of the proposed estimator is provided.</p>
  </abstract>
    
<funding-group>
<award-group id="gs1">
<funding-source>Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada</funding-source>
<award-id>RGPIN-2024-04826</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d2e113">Spectral analysis, i.e., estimating how the total power of a signal is distributed over frequency, finds applications in many diverse fields, such as meteorology, oceanography, astronomy, seismology, radar and sonar systems, medicine and economics, to name a few <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.4"/>. In particular, in meteorology and oceanography, a spectral analysis of turbulent flow quantities such as velocity and temperature is often performed to diagnose turbulence regimes based on the slope of the power spectral density (PSD) in log–log space <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29 bib1.bibx11 bib1.bibx17 bib1.bibx8 bib1.bibx28" id="paren.5"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>. The slope is usually determined by least-squares fitting a straight line to the PSD in log-log space, which requires an unbiased PSD estimator to properly diagnose turbulence regimes. The first non-parametric PSD estimator was the periodogram <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.6"/>. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="text.7"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.8"/> showed that PSD can also be estimated by taking the Fourier transform of the signal autocorrelation function, called the correlogram estimator. Unfortunately, since processes are always observed over a finite period of time, both the finite periodogram and correlogram estimators are biased due to spectral leakage <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.9"/>. However, both estimators are asymptotically unbiased, which means that as the observed period of time becomes longer, the bias becomes smaller. The main problem with these estimators is that they are inconsistent, since their variance does not decrease as the observed period of time becomes longer. Several methods have been proposed in the literature to decrease the variance of the estimated PSD <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3 bib1.bibx5 bib1.bibx39" id="paren.10"/>, but they have the drawback of increasing its bias.</p>
      <p id="d2e140">The estimation of PSD becomes even more difficult when samples are missing within the observed period of time. The simplest way to deal with this problem is to compute the periodogram or the standard biased correlogram using only the available data, which is equivalent to replacing the missing samples with zeros. This increases both the bias and the variance of the PSD estimators. More effective methods have been developed with different approaches dedicated to processes with periodic (deterministic) signals and to random processes with continuous spectra. For the former, the most commonly-used method is the Lomb-Scargle periodogram <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26 bib1.bibx35" id="paren.11"/>. For the latter, which is more relevant for turbulence measurements, two different classes of methods have been proposed: parametric methods, which postulate a model for the data and therefore a functional form for its spectrum, and nonparametric methods, which make no assumption on the functional form of the spectrum. Nonparametric methods consist of either reconstructing missing samples through interpolation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.12"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>, or refining the correlogram estimator using only the available data, without replacing missing samples with zeros. The latter method appears to have been first proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="text.13"/> for the special case of periodically missing samples, and subsequently generalized to more general missing data patterns <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31 bib1.bibx36 bib1.bibx6 bib1.bibx19 bib1.bibx13 bib1.bibx12" id="paren.14"/>, and to irregularly-sampled data <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16 bib1.bibx10 bib1.bibx2" id="paren.15"/>.</p>
      <p id="d2e160">A seemingly major problem with the latter approach is that, when some samples are missing, the estimated autocorrelation function is no longer necessarily positive semidefinite, potentially leading to negative PSD values at some frequencies. Although this problem has been acknowledged for a long time <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.16"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, a recently published work attempted to bypass the oddity of negative spectral density estimates by taking the absolute value of the Fourier transform of the standard unbiased estimator of the autocorrelation function <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.17"><named-content content-type="post">see line 5 of their Matlab functions acf2psd1D and acf2psd2D in their Figs. D2 and D3, respectively</named-content></xref>. Unfortunately, doing so does not provide an unbiased PSD estimator, as will be illustrated below. The code published by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.18"/> has been used in a few other published works <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24 bib1.bibx27 bib1.bibx33" id="paren.19"/> in which PSD are estimated from data with missing samples. A primary purpose of this paper is to refute the practice of replacing negative PSD estimates with their absolute values, since after averaging, the PSD will be biased to a degree which depends on the number and distribution of missing samples. Power spectral slopes are used in these papers to diagnose turbulence regimes. Potentially biased PSD estimates may therefore distort spectral slopes and lead to erroneous diagnostics.</p>
      <p id="d2e179">Although most of the literature on the subject has focused on reducing the variance of PSD estimators <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.20"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">for a recent account</named-content></xref>, following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.21"/>, we will focus here on the bias of PSD estimators, assuming that their variance can be sufficiently reduced by averaging a large number of independent estimates. The main purpose of this paper is to stress that to obtain an asymptotically-unbiased estimation of the PSD of a signal with missing samples, it is actually necessary that the estimator yield sometimes negative values. Since the estimator is asymptotically-unbiased, by averaging a sufficiently large number of independent PSD estimates, the averaged values should converge toward the true (positive) PSD of the signal at all frequencies, provided that the sampling function is independent of the signal and that the period of observation is sufficiently long.</p>
      <p id="d2e193">The paper is organized as follows. Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/> gives some theoretical background about Wiener–Khinchin's theorem for both infinite (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>) and finite data (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>), and proposes a new PSD estimator for data with missing samples (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/>). Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/> illustrates the effects of missing samples on PSD estimation using synthetic data from fractional Brownian motion processes (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/>) and actual data from a laboratory experiment of decaying turbulence in an active grid-generated air flow (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>). Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> proposes some discussion and conclusions. The derivation of Wiener–Khinchin's theorem for finite discrete data is given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>, and the algorithm to compute the proposed PSD estimator is detailed and generalized to compute the cross-spectral density of two random processes in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Theoretical background</title>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <label>2.1</label><title>Wiener–Khinchin theorem for infinite continuous data</title>
      <p id="d2e232">The Wiener–Khinchin theorem <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx21" id="paren.22"/> states that the auto-spectral density function <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of an infinite continuous stationary random process <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (real or complex) is the infinite Fourier transform of the auto-correlation function <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the process, a result often used to define the auto-spectral density function <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38 bib1.bibx4" id="paren.23"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref> by 

            <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M5" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the auto-correlation function <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined by

            <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M7" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the expected value operator and <sup>*</sup> denotes complex conjugation. <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is finite, provided that

            <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M11" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          which requires that the mean value of <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be zero.</p>
      <p id="d2e537">Another definition of the auto-spectral density function is based on the finite Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is defined by

            <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M14" display="block"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a finite time interval. Then, the auto-spectral density function is defined by

            <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M16" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M17" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The Wiener–Khinchin theorem states that Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) are mathematically equivalent.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <label>2.2</label><title>Wiener–Khinchin theorem for finite discrete data</title>
      <p id="d2e764">The Wiener–Khinchin theorem is formally valid only for infinite stationary random processes. In practice, processes are observed over finite time intervals, which leads to a subtle modification of the theorem. The derivation of the Wiener–Khinchin theorem for finite discrete data is given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>, and the main result is presented here.</p>
      <p id="d2e769">Consider a time series of <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, sampled at equally spaced time intervals <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from an infinite, continuous, and stationary random process <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, spanning the time period <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Its discrete finite Fourier transform is defined by

            <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M26" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e968">The periodogram estimator of the auto-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.24"/>

            <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M28" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e1022">The Wiener–Khinchin theorem for finite discrete data states that the periodogram estimator of the auto-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the finite Fourier transform of the circular estimator <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the autocorrelation function of <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>,

            <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M32" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.25"/>

            <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>10</label><mml:math id="M34" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          An important property of <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is that it is positive semidefinite, which ensures that its Fourier transform yields only positive PSD values. <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is also an unbiased estimator.</p>
      <p id="d2e1425">Applying the Wiener–Khinchin theorem for infinite data (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) directly to finite data leads to the standard correlogram estimator:

            <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M37" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the standard biased estimator of the auto-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, defined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.26"/>

            <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M40" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Like <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive semidefinite, but it is a biased estimator. Because of this, another correlogram estimator is sometimes used:

            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M43" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the standard unbiased estimator of the auto-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, defined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.27"/>

            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M46" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Although <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an unbiased estimator, it is not necessarily positive semidefinite, potentially producing negative values for <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <label>2.3</label><title>Nonparametric estimation of the power spectral density from data with missing samples</title>
      <p id="d2e2135">Consider now an incomplete record of <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> samples spanning the time period <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> missing samples. Skipping missing samples to estimate the PSD using any of the above estimators is equivalent to replacing the missing samples with zeros. Records with missing samples can therefore be represented as the product of the uninterrupted observed process <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> with a sampling series <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined by

            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M56" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">is</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">recorded</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">otherwise</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          yielding the recorded series <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e2301">Since the Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the convolution of the Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the latter will influence the PSD estimation using the periodogram estimator (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>). Wiener–Khinchin's theorem shows that the resulting PSD will be biased since, with missing values replaced by zeros, the circular autocorrelation estimator (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) becomes biased, as there are less than <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> terms available in the summations. But it also provides a way to obtain an unbiased PSD estimator for data with missing samples, as first proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="text.28"/> (who used <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rather than <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as proposed here), as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M64" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced by

            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M66" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of available data pairs for lag <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, given by

            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M69" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.29"/>, when no data is available for a specific lag <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the autocorrelation for this lag cannot be estimated and is set to zero. When at least one pair of data is available for all lags, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) is an unbiased estimator of the autocorrelation of <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, provided that the sampling function <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is independent of <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e2957">We will also consider the standard unbiased estimator <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) by replacing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) with

            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M76" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of available data pairs for the lag <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, given by

            <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M79" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          An advantage of using <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) instead of <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) is that <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all lags <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3330">The estimator proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.30"/> is

            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M84" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>).</p>
      <p id="d2e3497">Finally, we will also consider the standard biased estimator <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) by replacing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) with

            <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M87" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          This is equivalent to estimating the autocorrelation function by simply replacing missing samples with zeros and correcting for the energy loss due to the sampling window <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Dividing by a constant value <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensures that <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive semidefinite, but it is a biased estimator.</p>
      <p id="d2e3718">A problem when using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>) with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), or Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), when samples are missing, is that negative values can be obtained for the PSD at some frequencies, due to the fact that the unbiased estimators of the autocorrelation (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) and Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) are not necessarily positive semidefinite. This motivated the use of the absolute value for the estimator (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.31"/>. In the next section, we illustrate that this seemingly undesirable property of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) is actually necessary to obtain unbiased PSD estimates when averaging a very large number of independent realizations.</p>
      <p id="d2e3743">For comparison, we will also consider the widely-used Lomb-Scargle periodogram estimator <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26 bib1.bibx35" id="paren.32"/> obtained using Matlab's function plomb. An efficient algorithm for computing Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) using the fast Fourier transform, along with a generalization to estimate the cross-correlation and cross-spectral density of two stationary random processes, is provided in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/> and at <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.18405064" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.18405064</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.33"/>, along with a similar algorithm for computing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) with Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) by zero-padding the time series with <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> zeros to separate the two contributions from <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.34"><named-content content-type="pre">see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E37"/> in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> and Fig. 11.6 in</named-content></xref>. Therefore, an additional advantage of using <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) instead of <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) is that it requires half the memory usage to compute.</p>

      <fig id="F1" specific-use="star"><label>Figure 1</label><caption><p id="d2e3872">Example (one realization) for <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples of <bold>(a)</bold> original fractional Brownian motion (with <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) series <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> sampling function with Bernoulli missing samples <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> observed series <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(d)</bold> sampling function with batch-Bernoulli missing samples <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(e)</bold> observed series <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For better visualization, missing samples are not shown in <bold>(c)</bold> and <bold>(e)</bold>, rather than being set to zero.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f01.png"/>

        </fig>


</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Applications</title>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Fractional Brownian motion synthetic data</title>
      <p id="d2e4001">To illustrate the effects of missing samples on PSD estimation, we first generate synthetic random data using Matlab's wfbm function, which generates fractional Brownian motion signals for a given Hurst parameter <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and length <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, following the algorithm proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.35"/>. Although the fractional Brownian motion is not a stationary random process, its spectral density exists for <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and is proportional to <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which corresponds to the limit of the periodogram estimate when <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.36"/>. We test two values of the Hurst parameter, <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gives a spectral slope <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gives a spectral slope <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The first slope value is chosen to illustrate the case of isotropic homogeneous turbulence in the inertial range, if the frequency <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the wavenumber <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22 bib1.bibx29 bib1.bibx30 bib1.bibx11" id="paren.37"/>. The second slope value is chosen to illustrate the case of discontinuities associated with, e.g. atmospheric or oceanic fronts <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.38"/>. For each value of <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we generate <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> series of <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples, and the expected value operator <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is approximated by the arithmetic average over the <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> realizations. Here, we chose <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (yielding almost three decades in frequency) and <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Each series were linearly-detrended using the Matlab function detrend. An example of a linearly-detrended series for <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>a.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1.SSS1">
  <label>3.1.1</label><title>Effects of autocorrelation function estimator</title>
      <p id="d2e4294">The autocorrelation functions of <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> estimated by the different estimators are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>a. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E36"/>) is illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>b for real-valued series.</p>

      <fig id="F2" specific-use="star"><label>Figure 2</label><caption><p id="d2e4328"><bold>(a)</bold> Estimates (averaged over <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations) of circular unbiased autocorrelation <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red), standard biased autocorrelation <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), and standard unbiased autocorrelation <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cyan). Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E36"/>) is illustrated in <bold>(b)</bold>, where the flipped standard biased autocorrelation <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (dashed blue) and the sum <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green) are also shown.</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f02.png"/>

          </fig>

      <p id="d2e4484">The PSD of <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> estimated by the different estimators are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F3"/>. With no missing sample, all estimators recover the theoretical spectral slopes over most of the frequency domain for both <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is noisier than the other estimators, especially at high frequencies, even when averaged over <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations.</p>

      <fig id="F3" specific-use="star"><label>Figure 3</label><caption><p id="d2e4595">PSD estimates (averaged over <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations) of fractional Brownian motion for <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, estimated by <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (thick black), <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cyan), and <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red). The theoretical spectral slopes are shown for reference (dashed black).</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f03.png"/>

          </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS1.SSS2">
  <label>3.1.2</label><title>Effects of missing samples</title>
      <p id="d2e4730">We now turn to illustrate the effects of missing samples on PSD estimation. For each of the <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> series, we generate two sets of sampling functions, <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with randomly missing samples occurring independently from each other (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>b) and <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with batches of consecutively missed samples of randomly varying lengths (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>d). The number of missing samples <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is set to <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> percent of <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> for both sampling functions. In order for <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to maintain the same value for each realization of <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, they are generated as follows. For <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, initially set to <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we generate <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> values <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, comprised between 2 and <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (to ensure that there are available samples at the beginning and end of the time series), sampled uniformly at random, without replacement, using the Matlab function randsample, and set <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we sequentially generate a series of lengths of batches of missing samples by generating a first length <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, randomly taken between 1 and <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using randsample, then a second length <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, randomly taken between 1 and <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and so on until <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of batches of missing samples. The series <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is then randomly reordered using the Matlab function randperm. We also generate a series of lengths of batches of available samples, <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (to ensure that there are available samples at the beginning and end of the time series) with a similar procedure, such that <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Finally, we interspace available and missing samples with their respective batch lengths as follows: <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, etc. <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called a Bernoulli missing mechanism and is an example of missing completely at random (MCAR), while <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called a batch-Bernoulli missing mechanism and is an example of missing at random (MAR) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx14 bib1.bibx25" id="paren.39"/>.</p>
      <p id="d2e5352">In this section, we set <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> %. The resulting observed series (with missing samples not shown instead of replaced by zeros) are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>c and e. PSD of the sampling functions are computed using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) and averaged over the <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> realizations, showing that <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a white spectrum while <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a red spectrum (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F4"/>).</p>

      <fig id="F4" specific-use="star"><label>Figure 4</label><caption><p id="d2e5405">PSD (averaged over <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations) of the sampling functions <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (dashed line) and <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (solid line) for <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples.</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f04.png"/>

          </fig>

      <p id="d2e5464">PSD of the observed series are computed using the different estimators presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/> and averaged over the <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> realizations. Spectra for <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/>. For both missing data schemes, both <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> recover the <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> spectral slope over most of the frequency range, but these estimates get noisy at high frequencies, even when averaged over <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations, especially for <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> perform similarly, with a slightly biased spectral slope for <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and PSD leveling at high frequencies for <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In contrast, <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strongly biased for both missing data schemes.</p>

      <fig id="F5" specific-use="star"><label>Figure 5</label><caption><p id="d2e5645">PSD (averaged over <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations) of the complete (without missing samples) fractional Brownian motion with <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (thick black), and of the observed series with missing samples using <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cyan), <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red), <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (magenta), and <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green) for the sampling functions <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples. The theoretical spectral slope is shown for reference (dashed black). The vertical dotted line in <bold>(a)</bold> indicates the frequency (<inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) at which the PSD histograms are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>.</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f05.png"/>

          </fig>

      <p id="d2e5824">The unbiasedness of <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> comes with an increased variance of the estimator <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.40"/> and potential negative values at some frequencies <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.41"/>, as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/> for <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Although PSD are always positive for <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the average values of these estimates are biased relative to the value obtained without missing samples. In contrast, negative values can be obtained with <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but the average values of these estimates are close to the value obtained without missing samples. <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the largest variance among all estimators tested.</p>

      <fig id="F6" specific-use="star"><label>Figure 6</label><caption><p id="d2e5979">Histograms of <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> PSD estimates at a particular frequency (<inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of <bold>(a)</bold> the complete (without missing samples) fractional Brownian motion with <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and of the observed series with <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % Bernoulli missing samples using <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(e)</bold> <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(f)</bold> <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Vertical solid lines show the average values.</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f06.png"/>

          </fig>

      <p id="d2e6143">Although negative PSD values are not physically meaningful and may appear to be an undesirable feature of the unbiased estimators, they are necessary for the unbiasedness of the estimators. Indeed, if one uses the absolute value of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) to convert negative values into positive values (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>f), as proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.42"/>, the resulting average PSD (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/>, green) are even more biased than those obtained with classical estimators such as <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e6189">To investigate the sensitivity of the different estimators to the spectral slope, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F7"/> shows the different estimated PSD for fractional Brownian motion with <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The results are very similar to the case of <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/>), except that both unbiased estimators <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are even noisier at high frequencies. Of course, noise could be reduced by increasing <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but in practice the number of independent realizations available is usually limited. Further averaging can be performed by averaging PSD estimates within larger frequency bins (i.e., band-averaging). This is illustrated using laboratory turbulence data in the next section.</p>

      <fig id="F7" specific-use="star"><label>Figure 7</label><caption><p id="d2e6270">Same as Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/> for fractional Brownian motion with <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
            <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f07.png"/>

          </fig>

</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Case study: decaying turbulence in an active grid-generated air flow</title>
      <p id="d2e6306">We now turn to an example involving actual data: air flow velocities measured downstream of an active turbulence-generating grid in the return-type Corrsin wind tunnel experiment reported by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.43"/>. The Reynolds number is <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">720</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Velocities were measured using an X-wire probe at a sampling rate of 40 kHz mounted at a downstream distance of 20 <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.152</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m is the mesh size of the grid. Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.44"/>, the 15 min duration velocity record was divided into <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2195</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> segments (with 50 % overlap) of <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> samples each. Velocity records for each segment were linearly-detrended using the Matlab function detrend. While <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.45"/> multiplied each segment by a Bartlett window prior to estimating PSD, here, following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.46"/>, we do not apply any window so as to obtain asymptotically-unbiased estimates. The original record is complete (no missing sample), and the PSD of the streamwise velocity component is estimated using the periodogram estimator <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, averaged over the <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2195</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> realizations (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F8"/>, thick black). The spectrum is very similar to that shown in Fig. 3 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.47"/>, with a spectral slope close to <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over two decades (10 s<inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>).</p>

      <fig id="F8" specific-use="star"><label>Figure 8</label><caption><p id="d2e6471">Same as Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/> for decaying turbulence in an active grid-generated air flow from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.48"/>, with <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples. Spectra for data with missing samples have been band-averaged over <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> frequency bins per decade.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f08.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e6512">To investigate the effects of missing samples on PSD estimation, we generate Bernoulli and batch-Bernoulli sampling functions <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, with the same algorithm used in the previous section. Here, we test the more stringent case of <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples, a large value beyond which time series are usually considered unusable for conventional spectral analysis. Due to the larger fraction of missing samples and the smaller number of realizations than in the previous section, the spectral estimates obtained with <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are very noisy (not shown). Therefore, we further averaged all spectral estimates by band-averaging over <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> frequency bins per decade (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F8"/>). With band-averaging, <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have similar performances and recover the <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> spectral slope over the two decades. In contrast, <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strongly biased for both missing data schemes, while <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is biased only for the Bernoulli missing data scheme. <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not shown because it would have to be multiplied by a factor of <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be comparable to the PSD without missing sample, and would then be very similar to <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4" sec-type="conclusions">
  <label>4</label><title>Discussion and conclusions</title>
      <p id="d2e6735">Wiener–Khinchin's theorem for finite discrete data states that the periodogram estimator (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) is the finite discrete Fourier transform of the circular estimator of the autocorrelation function of the signal <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>), while the finite discrete Fourier transform of the standard biased estimator of the autocorrelation function <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), usually considered in the literature <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.49"><named-content content-type="pre">e.g</named-content></xref>, yields spectral estimates with twice the frequency resolution of the periodogram estimator. Since <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a biased estimator of the autocorrelation function, the standard unbiased estimator <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sometimes used to estimate the PSD (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). This is the estimator commonly used to estimate the PSD of a signal with missing samples, as first proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="text.50"/>. Here, we instead propose using the unbiased estimator <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, since the number of data pairs available for each lag (<inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is always greater or equal to the number (<inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) available for <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which decreases the variance of the PSD estimator. Furthermore, computing <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the fast Fourier transform algorithm requires half the memory usage necessary for computing <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e6906">The effects of missing samples on the PSD estimation are illustrated in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/> using fractional Brownian motion synthetic data with Hurst parameters <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with constant power spectral slopes in log-log space of <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, along with synthetic Bernoulli (missing completely at random) and batch-Bernoulli (missing at random) sampling functions with <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples. The results show that the standard estimator <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as well as the commonly-used Lomb-Scargle estimator <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are biased and do not recover the original spectral slopes throughout the frequency range. In contrast, <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are unbiased and recover the original spectral slopes throughout the frequency range, but they have a much larger variance than the biased estimators, especially for <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with possible negative values for individual realizations. Although this may be seen as an undesirable property of these estimators, we show that this is actually a necessary feature to obtain unbiased estimates. Indeed, trying to eliminate the negative values by taking their absolute value <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.51"><named-content content-type="pre">as, e.g.,</named-content><named-content content-type="post">did</named-content></xref> leads to strongly biased estimates and distorted spectral slopes.</p>
      <p id="d2e7068">Similar results are obtained using actual data from a laboratory experiment of decaying turbulence in an active grid-generated air flow <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="paren.52"/>, along with synthetic Bernoulli and batch-Bernoulli sampling functions with <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> % missing samples. To reduce the high level of noise of <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, all spectral estimates were further band-averaged over 25 frequency bins per decade. With band-averaging, <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have similar performances and recover the <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> spectral slope over the same frequency range as for the original data, while the other estimators remain biased.</p>
      <p id="d2e7165">To obtain an unbiased PSD estimator, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.53"/> propose a combination of three methods, the first using <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second restricting the domain of the autocorrelation function (maximum lag much smaller than <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to reduce the variance of the spectral estimates, and the third correcting the autocorrelation estimate after removal of the estimated mean value of the signal. Their first method is almost the same as that proposed here, except that we use <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Their second method is similar to that proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.54"/> and provides unbiased PSD estimates for random processes with finite memory, for which the autocorrelation function becomes zero at lags beyond the memory length, provided the maximum lag considered is equal to or longer than the memory length. Here, our synthetic data do not have finite memory, as the autocorrelation function <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not tend to zero for large lags (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>a). Since actual processes do not necessarily have finite memory, as in the turbulence data considered in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>, we do not restrict the domain of the autocorrelation function, accepting the large variance of the resulting PSD estimates. Finally, since actual processes also do not necessarily have zero mean value, the correction proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.55"/> should be used to obtain strictly unbiased PSD estimates. However, even without applying their correction, the PSD estimator proposed here is asymptotically unbiased as <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so the correction proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.56"/> becomes unnecessary for long time series, such as those considered here (<inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p>
      <p id="d2e7290">As with the periodogram estimator <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, one problem with <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is that it assumes that the observed process is periodic with period <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, this is rarely the case for actual processes, including those considered here, and the lack of periodicity leads to spectral leakage of signal frequencies different from the resolvable Fourier frequencies, which contaminates the estimated PSD. For the sake of obtaining asymptotically-unbiased estimates, this problem has been ignored here. Spectral leakage can be reduced by windowing the time series prior to estimating PSD <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.57"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref> with any of the proposed estimators.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group>

<app id="App1.Ch1.S1">
  <label>Appendix A</label><title>The Wiener–Khinchin theorem for finite discrete data</title>
      <p id="d2e7358">Consider a time series of <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, sampled at equally spaced time intervals <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from an infinite, continuous, and stationary random process <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, spanning the time period <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Its discrete finite Fourier transform is defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E23" content-type="numbered"><label>A1</label><mml:math id="M316" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        at discrete Fourier frequencies

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E24" content-type="numbered"><label>A2</label><mml:math id="M317" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e7578">The periodogram estimator of the auto-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.58"/>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E25" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M319" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e7630">Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E23"/>), Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E25"/>) becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E26" content-type="numbered"><label>A4</label><mml:math id="M320" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e7741">Let <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replace the variable <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E26"/>). The summation limits for <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, modifying the summation domain as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="FA1"/>. Then, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E26"/>) becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E27" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M328" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>

      <fig id="FA1"><label>Figure A1</label><caption><p id="d2e8084">Change of variables for the derivation of the Wiener–Khinchin theorem <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.59"><named-content content-type="pre">adapted from</named-content></xref>.</p></caption>
        <graphic xlink:href="https://ascmo.copernicus.org/articles/12/59/2026/ascmo-12-59-2026-f09.png"/>

      </fig>

      <p id="d2e8098">Defining the standard biased estimator of the auto-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> as follows <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.60"/>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E28" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M330" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E27"/>) becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E29" content-type="numbered"><label>A7</label><mml:math id="M331" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a biased estimator, since its expected value is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E30" content-type="numbered"><label>A8</label><mml:math id="M333" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        An unbiased estimator, called the standard unbiased estimator of the autocorrelation function of <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.61"/>, can therefore be defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E31" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M335" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e8566">The right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E29"/>) looks like the finite Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but the summation is carried over <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rather than <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E23"/>). Consequently, the finite Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Fourier frequencies <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, …, <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e8703">To estimate the auto-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the same Fourier frequencies as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E24"/>), let <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replace <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replace <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E27"/>), which becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E32" content-type="numbered"><label>A10</label><mml:math id="M351" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e9003">Defining the circular unbiased estimator of the autocorrelation function of <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> as follows <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.62"/>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E33" content-type="numbered"><label>A11</label><mml:math id="M353" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E32"/>) becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E34" content-type="numbered"><label>A12</label><mml:math id="M354" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an unbiased estimator, since the summations in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>) are always carried over <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> data pairs, and therefore

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E35" content-type="numbered"><label>A13</label><mml:math id="M357" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e9403">The Wiener–Khinchin theorem (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E34"/>) states that the periodogram estimator of the auto-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the finite Fourier transform of the circular unbiased estimator of the autocorrelation function of <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It is called circular because, when using the finite discrete Fourier transform, the time series <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is considered periodic of period <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the second part of the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>) for <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the remainder of the autocorrelation terms for indices that go beyond <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for which the beginning of the time series is used again <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.63"><named-content content-type="pre">see Fig. 11.4 in</named-content></xref>.</p>
      <p id="d2e9517"><inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can also be expressed as

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E36" content-type="numbered"><label>A14</label><mml:math id="M366" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        or equivalently

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E37" content-type="numbered"><label>A15</label><mml:math id="M367" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        In the limit of infinitely long time series,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E38" content-type="numbered"><label>A16</label><mml:math id="M368" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <label>Appendix B</label><title>Asymptotically-unbiased nonparametric estimation of the cross-spectral density from uniformly-spaced data with missing samples</title>
      <p id="d2e9747">The algorithm (implemented with Matlab) to obtain an asymptotically-unbiased estimate of the cross-spectral density of two stationary random processes from uniformly-spaced data with missing samples is detailed below.</p>
      <p id="d2e9750">Consider two series of <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,. …, <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, sampled at equally spaced time (or distance) intervals <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from two stationary random processes <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, spanning the time period (or spatial length) <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Suppose that the series have <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> missing values, respectively.</p>
      <p id="d2e9950">If the time series are not taken from random processes with zero mean values, an estimate of their mean values should be removed from the time series:

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M382" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">nanmean</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">nanmean</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e10006">Next, missing values should be replaced by zeros and sampling functions defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E39" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M383" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">is</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">recorded</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">otherwise</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E40" content-type="numbered"><label>B2</label><mml:math id="M384" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">is</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">recorded</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">otherwise</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        which is obtained by:

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M385" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">%</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">replace</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">missing</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">samples</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">with</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">zeros</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">find</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">isnan</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">find</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">isnan</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">%</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">sampling</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">functions</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ones</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">size</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ones</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">size</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e10351">Generalizing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), the discrete finite cross-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E41" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M388" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the discrete finite Fourier transforms of <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. With missing samples replaced with zeros, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E41"/>) is a biased estimator of the cross-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e10481">Generalizing the Wiener–Khinchin theorem (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>), the circular cross-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as the inverse Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E42" content-type="numbered"><label>B4</label><mml:math id="M398" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        With missing samples replaced with zeros, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E42"/>) is a biased estimator of the circular cross-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and is obtained by:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex13"><mml:math id="M401" display="block"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ifft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">fft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">conj</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">fft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">length</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e10696">Generalizing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) using the Wiener–Khinchin theorem, the number of data pairs available to estimate the circular cross-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E43" content-type="numbered"><label>B5</label><mml:math id="M404" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the discrete finite Fourier transforms of <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex14"><mml:math id="M410" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Npairs</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">round</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">real</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ifft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">fft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">conj</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">fft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where the “round” and “real” operators are used to obtain real integer values for <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> even with machine precision errors.</p>
      <p id="d2e10962">Then, the unbiased estimator of the circular cross-correlation function of <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E44" content-type="numbered"><label>B6</label><mml:math id="M414" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        If <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is set to zero. <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by:

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M418" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">length</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Npairs</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">%</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">data</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">pair</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">is</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">available</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">lag</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">set</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">to</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">zero</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">find</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Npairs</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e11266">Finally, the unbiased estimator of the cross-spectral density of <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E45" content-type="numbered"><label>B7</label><mml:math id="M421" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and is obtained by:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex18"><mml:math id="M422" display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">fft</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codedataavailability"><title>Code and data availability</title>

      <p id="d2e11418">Matlab software to generate synthetic data, analyse data and reproduce figures is available at <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.18405064" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.18405064</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.64"/>. Data used and generated for this paper are provided as supplementary material. The decaying turbulence data from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.65"/> was obtained from <uri>https://engineering.jhu.edu/meneveau/hot-wire-data.html</uri> (last access: 26 September 2025).</p>
  </notes><app-group>
        <supplementary-material position="anchor"><p id="d2e11433">The supplement related to this article is available online at <inline-supplementary-material xlink:href="https://doi.org/10.5194/ascmo-12-59-2026-supplement" xlink:title="zip">https://doi.org/10.5194/ascmo-12-59-2026-supplement</inline-supplementary-material>.</p></supplementary-material>
        </app-group><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d2e11442">The author has declared that there are no competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d2e11448">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims made in the text, published maps, institutional affiliations, or any other geographical representation in this paper. The authors bear the ultimate responsibility for providing appropriate place names. Views expressed in the text are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the publisher.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d2e11454">The author thanks Daniel Bourgault and Christopher Bouillon for reading and commenting on an initial draft of the manuscript, as well as two anonymous reviewers and Associate Editor Dan Cooley for their constructive comments and suggestions.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d2e11459">This research has been supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant no. RGPIN-2024-04826).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d2e11466">This paper was edited by Dan Cooley and reviewed by two anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Abry and Sellan(1996)</label><mixed-citation> Abry, P. and Sellan, F.: The wavelet-based synthesis for fractional Brownian motion proposed by F. Sellan and Y. Meyer: Remarks and fast implementation, Appl. Comput. Harmon. Anal., 3, 377–383, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Babu and Stoica(2010)</label><mixed-citation> Babu, P. and Stoica, P.: Spectral analysis of nonuniformly sampled data – a review, Digit. Sig. Process., 20, 359–378, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Bartlett(1948)</label><mixed-citation> Bartlett, M. S.: Smoothing periodograms from time-series with continuous spectra, Nature, 161, 686–687, 1948.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Bendat and Piersol(2011)</label><mixed-citation> Bendat, J. S. and Piersol, A. G.: Random data: analysis and measurement procedures, John Wiley &amp; Sons, Hoboken, NJ, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Blackman and Tukey(1958)</label><mixed-citation> Blackman, R. B. and Tukey, J. W.: The measurement of power spectra from the point of view of communications engineering – Part I, Bell Syst. Tech. J., 37, 185–282, 1958.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Bloomfield(1970)</label><mixed-citation> Bloomfield, P.: Spectral Analysis with Randomly Missing Observations, J. Roy. Stat. Soc., 32, 369–380, 1970.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Boyd(1992)</label><mixed-citation> Boyd, J. P.: The energy spectrum of fronts: time evolution of shocks in Burgers' equation, J. Atmos. Sci., 49, 128–139, 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Charney(1971)</label><mixed-citation> Charney, J. G.: Geostrophic Turbulence, J. Atmos. Sci., 28, 1087–1095, 1971.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Chavanne(2026)</label><mixed-citation>Chavanne, C.: Asymptotically-unbiased nonparametric estimation of the power spectral density from uniformly-spaced data with missing samples, Zenodo [data set], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.18405064" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.18405064</ext-link>, 2026.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Clinger and Van Ness(1976)</label><mixed-citation> Clinger, W. and Van Ness, J. W.: On unequally spaced time points in time series, Ann. Stat., 736–745, 1976.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Corrsin(1951)</label><mixed-citation> Corrsin, S.: On the spectrum of isotropic temperature fluctuations in an isotropic turbulence, J. Appl. Phys., 22, 469–473, 1951.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Damaschke et al.(2024)Damaschke, Kühn, and Nobach</label><mixed-citation>Damaschke, N., Kühn, V., and Nobach, H.: Bias-free estimation of the covariance function and the power spectral density from data with missing samples including extended data gaps, EURASIP J. Adv. Sig. Process., 2024, 17, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1186/s13634-024-01108-4" ext-link-type="DOI">10.1186/s13634-024-01108-4</ext-link>, 2024.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Efromovich(2014)</label><mixed-citation> Efromovich, S.: Efficient non-parametric estimation of the spectral density in the presence of missing observations, J. Time Ser. Anal., 35, 407–427, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Efromovich(2018)</label><mixed-citation>Efromovich, S.: Missing and modified data in nonparametric estimation: with R examples, Chapman and Hall/CRC, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1201/9781315166384" ext-link-type="DOI">10.1201/9781315166384</ext-link>, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Gao et al.(2021)Gao, Schmitt, Hu, and Huang</label><mixed-citation>Gao, Y., Schmitt, F. G., Hu, J., and Huang, Y.: Scaling Analysis of the China France Oceanography Satellite Along-Track Wind and Wave Data, J. Geophys. Res.-Oceans, 126, e2020JC017119, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2020JC017119" ext-link-type="DOI">10.1029/2020JC017119</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Gaster and Roberts(1975)</label><mixed-citation> Gaster, M. and Roberts, J.: Spectral analysis of randomly sampled signals, IMA J. Appl. Math., 15, 195–216, 1975.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Grant et al.(1962)Grant, Stewart, and Moilliet</label><mixed-citation> Grant, H., Stewart, R., and Moilliet, A.: Turbulence spectra from a tidal channel, J. Fluid Mech., 12, 241–268, 1962.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Jones(1962)</label><mixed-citation> Jones, R. H.: Spectral analysis with regularly missed observations, Ann. Math. Stat., 33, 455–461, 1962.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Jones(1971)</label><mixed-citation> Jones, R. H.: Spectrum estimation with missing observations, Ann. Inst. Stat. Math., 23, 387–398, 1971.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Kang et al.(2003)Kang, Chester, and Meneveau</label><mixed-citation>Kang, H. S., Chester, S., and Meneveau, C.: Decaying turbulence in an active-grid-generated flow and comparisons with large-eddy simulation, J. Fluid Mech., 480, 129–160, 2003.  </mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><label>Khintchine(1934)</label><mixed-citation> Khintchine, A.: Korrelationstheorie der stationären stochastischen Prozesse, Math. Ann., 109, 604–615, 1934.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><label>Kolmogorov(1941)</label><mixed-citation> Kolmogorov, A.: The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds number, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 30, 299–303, 1941.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><label>Kuleshov and Grudin(2013)</label><mixed-citation> Kuleshov, E. and Grudin, B.: Spectral density of a fractional Brownian process, Optoelectronics, Instrum. Data Process., 49, 228–233, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><label>Li et al.(2021)Li, Huang, Wang, and Zheng</label><mixed-citation>Li, X., Huang, Y., Wang, G., and Zheng, X.: High-frequency observation during sand and dust storms at the Qingtu Lake Observatory, Earth Syst. Sci. Data, 13, 5819–5830, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/essd-13-5819-2021" ext-link-type="DOI">10.5194/essd-13-5819-2021</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><label>Little and Rubin(2019)</label><mixed-citation> Little, R. J. and Rubin, D. B.: Statistical analysis with missing data, John Wiley &amp; Sons, ISBN 0470526793, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><label>Lomb(1976)</label><mixed-citation> Lomb, N. R.: Least-squares frequency analysis of unequally spaced data, Astrophys. Space Sci,, 39, 447–462, 1976.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><label>Ma et al.(2024)Ma, Cheng, Huang, Schmitt, Lin, and Huang</label><mixed-citation>Ma, Y., Cheng, W., Huang, S., Schmitt, F. G., Lin, X., and Huang, Y.: Hidden turbulence in van Gogh's The Starry Night, Phys. Fluids, 36, 095140, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1063/5.0213627" ext-link-type="DOI">10.1063/5.0213627</ext-link>, 2024.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><label>Nastrom and Gage(1985)</label><mixed-citation> Nastrom, G. and Gage, K.: A Climatology of Atmospheric Wavenumber Spectra of Wind and Temperature Observed by Commercial Aircraft, J. Atmos. Sci., 42, 950–960, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><label>Obukhov(1941)</label><mixed-citation> Obukhov, A.: Spectral energy distribution in a turbulent flow, Izv. Akad. Nauk. SSSR, Ser. Geogr. i. Geofiz., 5, 453–466, 1941.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><label>Obukhov(1949)</label><mixed-citation> Obukhov, A. M.: Structure of the temperature field in a turbulent flow, Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Geogr. Geofiz., 13, 58–69, 1949.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><label>Parzen(1963)</label><mixed-citation> Parzen, E.: On spectral analysis with missing observations and amplitude modulation, Sankhyā: The Indian Journal of Statistics, Series A, 25, 383–392, 1963.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><label>Plantier et al.(2012)Plantier, Moreau, Simon, Valière, Le Duff, and Bailliet</label><mixed-citation> Plantier, G., Moreau, S., Simon, L., Valière, J.-C., Le Duff, A., and Bailliet, H.: Nonparametric spectral analysis of wideband spectrum with missing data via sample-and-hold interpolation and deconvolution, Digit. Sig. Process., 22, 994–1004, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><label>Robache et al.(2025)Robache, Schmitt, and Huang</label><mixed-citation>Robache, K., Schmitt, F. G., and Huang, Y.: Scaling and intermittent properties of oceanic and atmospheric <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>CO<sub>2</sub> time series and their difference in a turbulence framework, Nonlin. Processes Geophys., 32, 35–49, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-32-35-2025" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-32-35-2025</ext-link>, 2025.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><label>Rubin(1976)</label><mixed-citation> Rubin, D. B.: Inference and missing data, Biometrika, 63, 581–592, 1976.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><label>Scargle(1982)</label><mixed-citation> Scargle, J. D.: Studies in astronomical time series analysis. II-Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data, Astrophys. J., 263, 835–853, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><label>Scheinok(1965)</label><mixed-citation> Scheinok, P. A.: Spectral analysis with randomly missed observations: the binomial case, Ann. Math. Stat., 36, 971–977, 1965.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><label>Schuster(1898)</label><mixed-citation> Schuster, A.: On the investigation of hidden periodicities with application to a supposed 26 day period of meteorological phenomena, Terr. Magnet., 3, 13–41, 1898.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><label>Stoica and Moses(2005)</label><mixed-citation> Stoica, P. and Moses, R.: Spectral analysis of signals, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, ISBN 0-13-113956-8, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><label>Welch(1967)</label><mixed-citation> Welch, P. D.: The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms, IEEE T. Audio Electroacoust., 15, 70–73, 1967.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><label>Wiener(1930)</label><mixed-citation> Wiener, N.: Generalized harmonic analysis, Acta Math., 55, 117–258, 1930.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Asymptotically-unbiased nonparametric estimation  of the power spectral density from uniformly-spaced  data with missing samples</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Abry and Sellan(1996)</label><mixed-citation>
      
Abry, P. and Sellan, F.: The wavelet-based synthesis for fractional Brownian
motion proposed by F. Sellan and Y. Meyer: Remarks and fast implementation,
Appl. Comput. Harmon. Anal., 3, 377–383, 1996.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Babu and Stoica(2010)</label><mixed-citation>
      
Babu, P. and Stoica, P.: Spectral analysis of nonuniformly sampled data – a
review, Digit. Sig. Process., 20, 359–378, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Bartlett(1948)</label><mixed-citation>
      
Bartlett, M. S.: Smoothing periodograms from time-series with continuous
spectra, Nature, 161, 686–687, 1948.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Bendat and Piersol(2011)</label><mixed-citation>
      
Bendat, J. S. and Piersol, A. G.: Random data: analysis and measurement
procedures, John Wiley &amp; Sons, Hoboken, NJ, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Blackman and Tukey(1958)</label><mixed-citation>
      
Blackman, R. B. and Tukey, J. W.: The measurement of power spectra from the
point of view of communications engineering – Part I, Bell Syst. Tech. J., 37, 185–282, 1958.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Bloomfield(1970)</label><mixed-citation>
      
Bloomfield, P.: Spectral Analysis with Randomly Missing Observations, J. Roy.
Stat. Soc., 32, 369–380, 1970.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Boyd(1992)</label><mixed-citation>
      
Boyd, J. P.: The energy spectrum of fronts: time evolution of shocks in
Burgers' equation, J. Atmos. Sci., 49, 128–139, 1992.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Charney(1971)</label><mixed-citation>
      
Charney, J. G.: Geostrophic Turbulence, J. Atmos. Sci., 28, 1087–1095, 1971.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Chavanne(2026)</label><mixed-citation>
      
Chavanne, C.: Asymptotically-unbiased nonparametric estimation of the power spectral density from uniformly-spaced data with missing samples, Zenodo [data set], <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.18405064" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.18405064</a>, 2026.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Clinger and Van Ness(1976)</label><mixed-citation>
      
Clinger, W. and Van Ness, J. W.: On unequally spaced time points in time
series, Ann. Stat., 736–745, 1976.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Corrsin(1951)</label><mixed-citation>
      
Corrsin, S.: On the spectrum of isotropic temperature fluctuations in an
isotropic turbulence, J. Appl. Phys., 22, 469–473, 1951.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Damaschke et al.(2024)Damaschke, Kühn, and
Nobach</label><mixed-citation>
      
Damaschke, N., Kühn, V., and Nobach, H.: Bias-free estimation of the
covariance function and the power spectral density from data with missing
samples including extended data gaps, EURASIP J. Adv. Sig. Process., 2024, 17, <a href="https://doi.org/10.1186/s13634-024-01108-4" target="_blank">https://doi.org/10.1186/s13634-024-01108-4</a>, 2024.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Efromovich(2014)</label><mixed-citation>
      
Efromovich, S.: Efficient non-parametric estimation of the spectral density in the presence of missing observations, J. Time Ser. Anal., 35, 407–427, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Efromovich(2018)</label><mixed-citation>
      
Efromovich, S.: Missing and modified data in nonparametric estimation: with R examples, Chapman and Hall/CRC, <a href="https://doi.org/10.1201/9781315166384" target="_blank">https://doi.org/10.1201/9781315166384</a>, 2018.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Gao et al.(2021)Gao, Schmitt, Hu, and Huang</label><mixed-citation>
      
Gao, Y., Schmitt, F. G., Hu, J., and Huang, Y.: Scaling Analysis of the China France Oceanography Satellite Along-Track Wind and Wave Data, J.
Geophys. Res.-Oceans, 126, e2020JC017119, <a href="https://doi.org/10.1029/2020JC017119" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2020JC017119</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Gaster and Roberts(1975)</label><mixed-citation>
      
Gaster, M. and Roberts, J.: Spectral analysis of randomly sampled signals, IMA J. Appl. Math., 15, 195–216, 1975.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Grant et al.(1962)Grant, Stewart, and Moilliet</label><mixed-citation>
      
Grant, H., Stewart, R., and Moilliet, A.: Turbulence spectra from a tidal
channel, J. Fluid Mech., 12, 241–268, 1962.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Jones(1962)</label><mixed-citation>
      
Jones, R. H.: Spectral analysis with regularly missed observations, Ann. Math. Stat., 33, 455–461, 1962.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Jones(1971)</label><mixed-citation>
      
Jones, R. H.: Spectrum estimation with missing observations, Ann. Inst. Stat. Math., 23, 387–398, 1971.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Kang et al.(2003)Kang, Chester, and Meneveau</label><mixed-citation>
      
Kang, H. S., Chester, S., and Meneveau, C.: Decaying turbulence in an
active-grid-generated flow and comparisons with large-eddy simulation, J. Fluid Mech., 480, 129–160, 2003.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Khintchine(1934)</label><mixed-citation>
      
Khintchine, A.: Korrelationstheorie der stationären stochastischen
Prozesse, Math. Ann., 109, 604–615, 1934.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Kolmogorov(1941)</label><mixed-citation>
      
Kolmogorov, A.: The local structure of turbulence in incompressible viscous
fluid for very large Reynolds number, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 30, 299–303,
1941.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Kuleshov and Grudin(2013)</label><mixed-citation>
      
Kuleshov, E. and Grudin, B.: Spectral density of a fractional Brownian process, Optoelectronics, Instrum. Data Process., 49, 228–233, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Li et al.(2021)Li, Huang, Wang, and Zheng</label><mixed-citation>
      
Li, X., Huang, Y., Wang, G., and Zheng, X.: High-frequency observation during sand and dust storms at the Qingtu Lake Observatory, Earth Syst. Sci. Data, 13, 5819–5830, <a href="https://doi.org/10.5194/essd-13-5819-2021" target="_blank">https://doi.org/10.5194/essd-13-5819-2021</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Little and Rubin(2019)</label><mixed-citation>
      
Little, R. J. and Rubin, D. B.: Statistical analysis with missing data, John Wiley &amp; Sons, ISBN 0470526793, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Lomb(1976)</label><mixed-citation>
      
Lomb, N. R.: Least-squares frequency analysis of unequally spaced data,
Astrophys. Space Sci,, 39, 447–462, 1976.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Ma et al.(2024)Ma, Cheng, Huang, Schmitt, Lin, and Huang</label><mixed-citation>
      
Ma, Y., Cheng, W., Huang, S., Schmitt, F. G., Lin, X., and Huang, Y.: Hidden
turbulence in van Gogh's The Starry Night, Phys. Fluids, 36, 095140,
<a href="https://doi.org/10.1063/5.0213627" target="_blank">https://doi.org/10.1063/5.0213627</a>, 2024.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Nastrom and Gage(1985)</label><mixed-citation>
      
Nastrom, G. and Gage, K.: A Climatology of Atmospheric Wavenumber Spectra of
Wind and Temperature Observed by Commercial Aircraft, J. Atmos. Sci., 42, 950–960, 1985.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Obukhov(1941)</label><mixed-citation>
      
Obukhov, A.: Spectral energy distribution in a turbulent flow, Izv. Akad. Nauk. SSSR, Ser. Geogr. i. Geofiz., 5, 453–466, 1941.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Obukhov(1949)</label><mixed-citation>
      
Obukhov, A. M.: Structure of the temperature field in a turbulent flow, Izv.
Akad. Nauk SSSR, Ser. Geogr. Geofiz., 13, 58–69, 1949.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Parzen(1963)</label><mixed-citation>
      
Parzen, E.: On spectral analysis with missing observations and amplitude
modulation, Sankhyā: The Indian Journal of Statistics, Series A, 25, 383–392, 1963.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Plantier et al.(2012)Plantier, Moreau, Simon, Valière, Le Duff,
and Bailliet</label><mixed-citation>
      
Plantier, G., Moreau, S., Simon, L., Valière, J.-C., Le Duff, A., and
Bailliet, H.: Nonparametric spectral analysis of wideband spectrum with
missing data via sample-and-hold interpolation and deconvolution, Digit. Sig. Process., 22, 994–1004, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Robache et al.(2025)Robache, Schmitt, and Huang</label><mixed-citation>
      
Robache, K., Schmitt, F. G., and Huang, Y.: Scaling and intermittent properties of oceanic and atmospheric <i>p</i>CO<sub>2</sub> time series and their difference in a turbulence framework, Nonlin. Processes Geophys., 32, 35–49, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-32-35-2025" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-32-35-2025</a>, 2025.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Rubin(1976)</label><mixed-citation>
      
Rubin, D. B.: Inference and missing data, Biometrika, 63, 581–592, 1976.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Scargle(1982)</label><mixed-citation>
      
Scargle, J. D.: Studies in astronomical time series analysis. II-Statistical
aspects of spectral analysis of unevenly spaced data, Astrophys. J., 263, 835–853, 1982.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Scheinok(1965)</label><mixed-citation>
      
Scheinok, P. A.: Spectral analysis with randomly missed observations: the
binomial case, Ann. Math. Stat., 36, 971–977, 1965.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Schuster(1898)</label><mixed-citation>
      
Schuster, A.: On the investigation of hidden periodicities with application to a supposed 26 day period of meteorological phenomena, Terr. Magnet., 3, 13–41, 1898.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Stoica and Moses(2005)</label><mixed-citation>
      
Stoica, P. and Moses, R.: Spectral analysis of signals, Prentice Hall, Upper
Saddle River, NJ, ISBN 0-13-113956-8, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Welch(1967)</label><mixed-citation>
      
Welch, P. D.: The use of fast Fourier transform for the estimation of power
spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms,
IEEE T. Audio Electroacoust., 15, 70–73, 1967.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Wiener(1930)</label><mixed-citation>
      
Wiener, N.: Generalized harmonic analysis, Acta Math., 55, 117–258, 1930.

    </mixed-citation></ref-html>--></article>
