CN100596024C - 成形空间滤波器的空间响应的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种空间滤波器，其包括数个在时间域中生成单独信号的光电探测器。所述单独信号随后被分割并组合以形成从空间滤波器的I通道及Q通道输出。在I及Q通道形成之前，使用一窗函数来成形所述空间滤波器的空间响应。

Description

成形空间滤波器的空间响应的方法及系统
技术领域
本发明揭示一种空间滤波器，其包括数个在时间域中生成单独信号的光电探测器。所述单独信号随后被分割并组合以形成从空间滤波器的I通道及Q通道输出。在I及Q通道形成之前，使用一窗函数来成形所述空间滤波器的所述空间响应。
背景技术
通常将窗函数应用于信号以改变信号的频谱。例如，可使用窗函数来抑制信号频谱中的旁瓣。有些窗函数(例如Blackman、Hanning及Hamming)具有预定形状。其它窗函数(包括Kaiser)具有可调整的或用户定义的形状。
图1是根据现有技术的开窗系统的一示意图。开窗系统100包括空间滤波器102及窗函数104。空间滤波器102包括光电探测器106、108、110、112的一重复图案。光电探测器106、108、110、112生成单独信号，这些单独信号经组合及求和114、116分别形成信号118、120。信号118通常被称为同相(I)通道而信号120通常被称为正交(Q)通道。
I及Q通道可具有模糊的频率、噪声及漏失。这些因素使得难以解释I及Q通道所包含的信息。因此，将窗函数104应用于所述通道以修改信号的频谱并提高其分辨率。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于空间开窗的方法及系统。空间滤波器包括数个在时间域中生成单独信号的光电探测器。这些单独信号随后被分割并组合以形成来自所述空间滤波器的I通道及Q通道输出。在I通道和Q通道形成之前，使用一窗函数来成形空间滤波器的空间响应。
附图说明
结合附图参阅下文中对本发明实施例的详细说明可最佳地理解本发明，其中：
图1是现有技术的一开窗系统的示意图；
图2是本发明一实施例中的一窗函数的曲线图；
图3是图2的一实施例中的一系列探测器的示意图；
图4是本发明一实施例中的一没有开窗的空间滤波器的空间响应曲线图和一具有开窗的空间滤波器的空间响应曲线图；
图5是本发明一实施例中的一第一空间滤波器结构的方框图；
图6是本发明一实施例中的一第二空间滤波器结构的示意图；
图7是本发明一实施例中的一第三空间滤波器结构的示意图；
图8是图6和图7实施例的一第一可编程开窗系统的方框图；及
图9是本发明一实施例中的第二可编程开窗系统的方框图。
具体实施方式
提供以下说明旨在使所属领域的技术人员能够制作并使用本发明的实施例，且因专利申请及其要求的缘故提供以下说明。所属领域的技术人员易知对所揭示实施例的各种修改，且本文中的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并非意欲受所示实施例的限制，而要赋予其与随附权利要求书及本文所述原理和特征相一致的最广范畴。
参照附图且尤其参照图2，其显示本发明一实施例中一窗函数的曲线图。窗函数200的形状由一系列光电探测器形成，此一系列光电探测器经设计以近似窗函数200并成形一空间滤波器的空间响应。下文结合图3及图4-8更详细描述用于成形一个或多个空间滤波器的空间响应的技术。
图3是图2实施例中一系列光电探测器的示意图。该系列光电探测器300近似图2的窗函数。设计成带有光电探测器300的空间滤波器具有N＝2，其中N代表一系列四个光电探测器的重复次数。虽然图3以矩形形状描绘光电探测器，但是本发明的其它实施例不限定于此构造。空间滤波器中的光电探测器可构建成任何形状，例如正方形或椭圆形。
已形成每个光电探测器使其具有一物理区域，该物理区域经设计以产生与一相应窗系数成比例的一信号电平。在图3的实施例中，光电探测器的高度302是固定的而每个光电探测器的宽度被调整以产生所期望的物理区域。在本发明的另一实施例中，光电探测器的宽度是固定的而调整一个或多个光电探测器的高度。在本发明的又一实施例中，一个或多个光电探测器的高度和宽度依照一特定窗函数进行调整。而且最后，在本发明的又一实施例中，独立于其它探测器调整一个或多个光电探测器的物理区域，以使某些或全部探测器的高度不同于其它探测器的高度，某些或全部探测器的宽度不同于其它探测器的宽度，或独立于其它的探测器来调整某些或全部探测器的高度和宽度。
光电探测器306的宽度304由a(x1)W确定，其中a(x1)代表一窗系数且W代表一固定基线宽度。将宽度304乘以窗系数a(x1)来调整光电探测器306的物理区域，以使光电探测器306在x1点生成空间窗函数(见图2)。光电探测器310的宽度308由a(x2)W界定，其中a(x2)代表不同于a(x1)的窗系数。值a(x2)W确定光电探测器310的物理区域，以使探测器310在x2点产生空间窗函数。
光电探测器314的宽度312由a(x3)W确定，其中a(x3)代表另一窗系数。同样，窗系数a(x3)为在x3点生成空间窗函数的光电探测器314产生一区域。类似的，光电探测器318、322、326、330、334的宽度316、320、324、328、332分别由方程式a(x4)W、a(x5)W、a(x6)W、a(x7)W、a(x8)W支配。窗系数a(x4)、a(x5)、a(x6)、a(x7)、a(x8)均产生分别在x4至x8点处生成空间窗函数的物理区域。因此，通过改变光电探测器306、310、314、318、322、326、330、334的物理区域，光电探测器共同产生窗函数200。
在图3的实施例中，光电探测器306、310、314、318、322、326、330、334之间的距离336、338、340、342、344、346、348分别相等。在本发明的其它实施例中，距离336、338、340、342、344、346、348中的某些或全部不相等。因此，光电探测器306、310、314、318、322、326、330、334的物理区域，距离336、338、340、342、344、346、348，或以上两者可由设计成从一空间滤波器产生所期望空间响应的特定窗函数来确定。探测器306、310、314、318、322、326、330、334的区域及距离336、338、340、342、344、346、348使用(例如)互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术形成。
参照图4，其显示本发明的实施例中没有开窗的一空间滤波器的频率响应曲线的曲线图及开窗的一空间滤波器的频率响应曲线的曲线图。频率响应曲线400是在没有空间开窗的情况下生成的。频率响应曲线402是由具有与Hamming窗函数成比例的光电探测器区域的空间滤波器生成的。如图4中所示，与曲线400相比较，频率响应曲线402具有更宽的主瓣(main lobe)及受抑制的旁瓣(sidelobe)404。频率响应曲线402的减少的旁瓣抑制噪声并使得更易于探测I及Q通道中的正弦分量。
图3所示的经设计带有一系列光电探测器的空间滤波器在滤波器中心具有最大的物理探测器区域(探测器318、322)。相邻探测器314、326、310、330、306、334的宽度随着探测器离开中心而变小，从而使滤波器的频率响应的下降逐渐变小。在本发明的另一实施例中，可以一种不同于图3的方式使所述下降逐渐变小。而且，最大探测器区域可包括定位在空间滤波器中任意位置的任意数量的探测器。
因此，在本发明的其它实施例中，可依据不同类型的窗函数来确定一个或多个光电探测器的物理区域。当设计空间滤波器时，通过选择一窗函数确定所述空间滤波器的空间响应的所期望形状。例如，在本发明的其它实施例中，可使用诸如Blackman、Hanning及用户定义窗函数等窗函数。
参照图5，其显示本发明一实施例中的一第一空间滤波器结构的方框图。空间滤波器500包括探测器方框502及阻断图案504。在图5的实施例中，探测器方框402包括四个光电探测器。
阻断图案504阻止光射到探测器方框502中一个或多个光电探测器的某些表面或整个表面。阻断所有或者某些表面减少了由光电探测器生成的信号量。设计阻断图案以使每个光电探测器生成的信号量与该光电探测器的特定窗系数成比例。使用由探测器方框502和阻断图案504联合生成的信号确定空间滤波器500的空间响应的形状。阻断图案504包括一制作在本发明一实施例中一个或多个光电探测器的部分表面或整个表面上的金属板。在本发明的其它实施例中，阻断图案504包括覆盖在一个或多个光电探测器的部分表面或整个表面上的任意类型的不透明掩膜。
由探测器方框502中每个光电探测器生成的信号通过信号线508传送至求和方框506。求和方框506对单独信号进行组合并分别在线512及514上生成I及Q信号。尽管在图5中描述有四个光电探测器和一组I及Q通道，但是本发明的其它实施例可包括生成所期望数量的I及Q通道的任意数量的光电探测器。
图6是本发明一实施例中的一第二空间滤波器结构的示意图。空间滤波器600包括光电探测器602、604、606、608和来自图1中的求和电路114、116。光电探测器602、604、606、608可具有相同的用于探测光的物理区域或具有彼此独立设定尺寸的多个区域。并且每个光电探测器602、604、606、608的物理形状可采取任意所期望的形状，包括但不限于：正方形、矩形及椭圆形。
光电探测器602、604、606、608生成的每个信号分别通过模拟乘法电路610、612、614、616乘以一特定窗系数。然后，求和电路114、116对开窗信号进行组合并求和，以分别在线618、620上生成I及Q通道。与乘法电路610、612、614、616相关的窗系数的值取决于空间滤波器600的空间响应的所期望形状及用于成形空间响应的窗函数的类型。
参照图7，其显示本发明一实施例中的一第三空间滤波器结构的示意图。空间滤波器700包括光电探测器702、704、706、708及来自图1的求和电路114、116。光电探测器702、704、706、708可具有相同的用于探测光的物理区域或具有彼此独立设定尺寸的多个区域。并且每个光电探测器702、704、706、708的物理形状可采取任意所期望的形状，包括但不限于：正方形、矩形及椭圆形。
模拟-数字转换器710、712、714、716分别将光电探测器702、704、706、708所生成的每个信号转换成数字信号。然后，数字信号通过数字乘法电路718、720、722、724乘以一个特定窗系数。与乘法电路718、720、722、724相关的窗系数的值取决于空间滤波器700的空间响应的所期望形状及用于成形空间响应的窗函数的类型。然后，求和电路114、116对开窗信号进行组合并求和，以分别在线726、728上生成I及Q通道。
图8是一根据图6和图7的实施例可使用的第一可编程开窗系统的方框图。可编程开窗系统800包括光电探测器方框802、乘法方框804、编程方框806、存储器808及求和方框810。在本发明的一实施例中，光电探测器方框802、乘法方框804、编程方框806、存储器808及求和方框810一起制造。然而，在本发明的其它实施例中，一个或多个方框可单独制造或作为离散组件制造。
由探测器方框802中每个光电探测器生成的单独信号通过线812传送至乘法方框804。乘法方框804将一个或多个信号乘以相应的窗系数。在应用窗系数之前，可将信号转换成数字信号。
窗系数由编程方框806输入乘法方框804。在本发明的一实施例中，通过信号线814将一个或多个窗系数输入编程方框806。在本发明的另一实施例中，将窗系数存入存储器808。编程方框806从存储器808中读取一个或多个窗系数并编程乘法方框804。在开窗系统800的操作期间，信号线814及存储器808允许以不同的值编程及重编程乘法方框804中的窗系数。
然后，通过线816将开窗信号输入求和方框810。求和方框810组合并求和所述信号以在线818、820上生成I及Q通道。如同图6和图7所示的实施例一样，窗系数的值取决于空间响应的所期望的形状及用于成形空间响应的窗函数的类型。
图6-8使用四个光电探测器来生成一组I及Q通道。然而，本发明的实施例并不局限于此构造。一个或多个空间滤波器可包括生成所期望数量的I及Q通道的任意数量的光电探测器。
参照图9，其显示本发明一实施例中的第二可编程开窗系统的方框图。可编程开窗系统900包括由离散光电探测器902、904、906、908构成的一阵列、由离散光电探测器910、912、914、916构成的一第二阵列、由离散光电探测器918、920、922、924构成的一第三阵列及由离散光电探测器926、928、930、932构成的一第四阵列。四个光电探测器阵列形成一在线118上产生I通道且在线120上产生Q通道的空间滤波器。
一开关阵列934连接至光电探测器902、904、906、908，而一系列开关936则连接至光电探测器910、912、914、916。类似地，开关阵列938、940分别连接至光电探测器918、920、922、924及光电探测器926、928、930、932。控制器942输出控制信号944，所述控制信号控制连接至离散光电探测器902-932的每个开关的位置。尽管在图9中仅显示了四个控制信号944，但是在本发明的一实施例中，控制器942能够给连接至离散光电探测器的每个开关生成并传送一控制信号。
通过打开或闭合特定的开关，用于生成信号946、948、950、952的离散光电探测器的数量是可控制的并且可在空间滤波器操作期间予以修改。在图9的实施例中，闭合连接至离散光电探测器904、906的开关阵列934中的开关。因此，离散光电探测器904、906形成产生信号946的“有效”光电探测器954。开关阵列936、938中的开关均被闭合，从而允许离散光电探测器910、912、914、916及离散光电探测器918、920、922、924分别形成“有效”光电探测器956、958。而且有效光电探测器956、958分别生成信号948、950。而且最后，由离散光电探测器930、932构造的“有效”光电探测器960产生信号952。用于形成每个有效光电探测器的离散光电探测器的数量由一特定窗函数确定，其中每个有效光电探测器所生成的信号量与一特定窗系数成比例。
信号944、948被输入求和方框114以在线962上产生I通道，而信号946、950被输入求和方框116以在线964上产生Q通道。因此，空间滤波器的空间响应由用于形成有效光电探测器954、956、958、960的离散光电探测器的特定组合所生成的信号来成形。
尽管图9描述每个阵列中有四个离散光电探测器，但是本发明的其它实施例在一个阵列中可包括任意数量的离散光电探测器。而且，每个离散光电探测器902-932可具有用于探测光的相同的物理区域或具有彼此独立设定尺寸的多个区域。而且包含在空间滤波器中的每个离散光电探测器的物理形状可采取任意所期望的形状，包括但不限于：正方形、矩形及椭圆形。

Claims (18)

1、一种系统，其包括：
一由复数个光电探测器组成的空间滤波器；及
根据所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器所接收的光的量成形所述空间滤波器的一空间响应的构件，其中所述复数个光电探测器中所述一个或多个光电探测器所接收的光的量不同于所述复数个光电探测器中另一个光电探测器所接收的光的量，以使得所述一个或多个光电检测器所生成的每个信号与一相应窗系数成比例。
2、如权利要求1所述的系统，其中所述用于根据所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器接收的光的量成形所述空间滤波器的一空间响应的构件包括用于根据所述复数个光电探测器中每一个光电探测器的一区域生成一与一相应窗系数成比例的信号的构件。
3、如权利要求2所述的系统，其中所述复数个光电探测器中至少一个光电探测器的区域因至少一个不同的尺寸而不同于另一个光电探测器的区域。
4、如权利要求1所述的系统，其中所述用于根据所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器接收的光的量成形所述空间滤波器的一空间响应的构件包括用于阻断光射到所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器的一表面的至少一部分以使所述一个或多个光电探测器中的每个光电探测器所生成的一信号与一相应窗系数成比例的构件。
5、如权利要求1所述的系统，其中所述由复数个光电探测器组成的空间滤波器是由复数个光电探测器阵列组成的空间滤波器，其中每个光电探测器阵列包含两个或两个以上离散光电探测器，且其中所述用于成形所述空间滤波器一空间响应的构件包括用于使用每个光电探测器阵列形成一有效光电探测器以使每个有效光电探测器生成的一信号与一特定窗系数成比例的构件。
6、如权利要求1所述的系统，其中一对光电探测器之间的一距离不同于所述复数个光电探测器中至少另一对光电探测器之间的一距离。
7、一种系统，其包括：
一由复数个光电探测器组成的空间滤波器；
根据所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器所接收的光的量成形所述空间滤波器的一空间响应的构件，其中所述复数个光电探测器中至少一个光电探测器所接收的光的量不同于所述复数个光电探测器中另一个光电探测器所接收的光的量；
一连接至每个光电探测器的输出的乘法电路；及
一可操作以使用一窗系数编程每个乘法电路的编程电路。
8、如权利要求7所述的系统，其进一步包括一定位于每个光电探测器与每个乘法电路之间的模拟-数字转换器。
9、如权利要求7所述的系统，其进一步包括一可操作以存储所述窗系数的存储器。
10、一种用于成形一空间滤波器的一空间响应的方法，其包括：
在时间域中生成复数个信号；及
根据空间滤波器接收的光的光通量为所述复数个信号开窗，其中所述空间滤波器中一个或多个光电探测器所接收的光的量不同于所述空间滤波器中另一个光电探测器所接收的光的量，以使得所述一个或多个光电检测器所生成的每个信号与一相应窗系数成比例。
11、如权利要求11所述的方法，根据所述空间滤波器接收的光的光通量为所述复数个信号开窗包括阻断所述空间滤波器中一个或多个光电探测器接收的光的至少一部分以使所述一个或多个光电探测器中的每个光电探测器所生成的一信号与一相应窗系数成比例。
12、如权利要求10所述的方法，其中为所述复数个信号开窗包括根据所述空间滤波器中的复数个光电探测器中每个光电探测器的一区域生成所述复数个信号。
13、如权利要求10所述的方法，其中为所述复数个信号开窗包括改变所述空间滤波器中一对光电探测器之间的一距离，此改变操作独立于所述空间滤波器中另一对光电探测器之间的一距离。
14、如权利要求10所述的方法，其中
在所述时间域中生成复数个信号包括借助复数个有效光电探测器生成复数个信号；及
其中根据所述空间滤波器接收的光的光通量为所述复数个信号中的每个信号开窗包括通过启用一相应光电探测器阵列中的一个或多个离散光电探测器来形成所述复数个有效光电探测器中的每个有效光电探测器，以使每个有效光电探测器生成的一信号与一特定窗系数成比例。
15、一种用于制造一空间滤波器的方法，其包括：
形成复数个光电探测器；及
改变所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器可接收的光的量，以使得所述一个或多个光电探测器所生成的每个信号与一相应窗系数成比例。
16、如权利要求15所述的方法，其中改变所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器可接收的光的量包括改变所述复数个光电探测器中所述一个或多个光电探测器的至少一个尺寸。
17、如权利要求15所述的方法，其中改变所述复数个光电探测器中一个或多个光电探测器可接收的光的量包括形成一阻断图案以阻断所述复数个光电探测器中所述一个或多个光电探测器接收的所述光的至少一部分。
18、如权利要求15所述的方法，其中
形成复数个光电探测器包括形成包含两个或两个以上离散光电探测器的复数个光电探测器阵列；
及其中
改变一个或多个光电探测器可接收的光的量包括通过启用每个光电探测器阵列中一个或多个离散光电探测器来形成复数个有效光电探测器以使每个有效光电探测器生成的一信号与一特定窗系数成比例。
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