CN101655563B - 一种高精度、低功耗激光测距的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度、低功耗激光测距的方法及其装置，提出一种基于回波光信号的时间分集接收处理、距离模式自动切换处理、接收灵敏度自动控制和测距防抖动处理的高精度激光测距信号处理方法，公开一种用高精度激光测距信号处理方法构成并对系统作低功耗配置的激光测距装置，其发明目的是为广大激光测距用户提供一种能有效提高精度，降低功耗，并赋予激光测距仪具备距离模式转换、灵敏度调整和防抖的智能功能以及能满足多种精度和性能要求、操作简便、延长电池使用寿命的激光测距装置，可广泛应用于民用便携式激光测距仪的各种行业和休闲领域如高尔夫球，打猎等休闲活动中的各种测距场合。
Description
技术领域
本发明属于激光测距领域，涉及激光测距的方法及激光测距仪，尤其涉及一种高精度、低功耗激光测距的方法及其装置，广泛应用于民用便携式激光测距仪的各种行业和领域。
背景技术
小型化便携式激光测距仪是民用激光测距仪的一个发展趋势，手持式激光测距仪因其携带方便被广泛的用于建筑、交通等工程项目，而且也广泛的应用于休闲领域如高尔夫球，打猎等休闲活动中的各种测距场合。便携式激光测距仪都使用电池供电，它对仪器工作的低功耗提出了较高的要求，并且对其操作简便性及其稳定性与精度也要求较高。现有技术的美国专利第5612779号，6226077号和5652651号案中所公开的激光测距方法及激光测距仪存在下列不足或缺陷：(1)激光测距仪的功耗大，不适用于小型化便携式激光测距仪的应用需求。激光发射驱动电压都为110到140V，接收电路中雪崩光电二极管的偏置电压都为50V或更高，上述的高电压都是由低压电池通过升压电路升压和分压来得到，不仅电压转换效率较低、功耗较高，而且对仪器电路的干扰和幅射的增加，直接影响测距仪的测距稳定性。(2)现有技术如美国专利第5926259号案中所揭露的根据不同天气及目标需要人工选取不同模式，操作繁琐。(3)现有技术美国专利的激光测距仪不具有防抖功能。另一方面广大用户对测距仪的操作简便性，如不同距离模式的自动切换以及高稳定性与高精度的测距的品质亦提出更高的要求，服务于广大用户提供优质激光测距仪是行业发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的是要克服已有技术的不足或缺陷，提供一种高精度、低功耗激光测距方法及其装置，旨在设计出能有效提高精度，降低功耗，并赋予激光测距仪具备距离模式转换、灵敏度调整和防抖的智能功能的方法以及能满足多种精度和性能要求、操作简便、延长电池使用寿命的激光测距装置。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现：一种高精度、低功耗激光测距的方法及装置，包括一种高精度激光测距信号处理方法以及测距装置系统低功耗配置方法；
所述高精度激光测距信号处理方法，它包括：
(一)回波光信号的时间分集接收处理
(1)激光测距脉冲采用时间分集组发射；一组激光测距脉冲为若干个相同周期的脉冲；
(2)一次测量采用多个激光测距脉冲组受控组合发射；一次测量的多个激光测距脉冲组实现一种测距功能或分组实现多种测距功能；
(3)每组发射后对接收回路输入端按时控时间实行屏蔽；
(4)每一组回波光脉冲信号都完成第一级时间分集接收，实现相近值分集处理；对每组激光测距相近值个数作满足大数分集条件处理，不满足条件判一组测距无效；
(5)用多组回波光信号完成第二级时间分集接收处理，实现有效值分集处理；对一次测量的多组激光测距有效值个数作满足大数分集条件处理，不满足条件并超时判为一次测量无效，；
(6)一次测量的测距时间超过时限，则结束一次测量；否则继续测量；
(7)一次有效测量结束，对时间分集测距有效值实现平滑处理，通过智能判断获得高精度测距值；
(8)输出一次测距数据，在显示器作数字显示。
(二)距离模式自动切换处理
(1)将最大测距区域划分为a个测距模式：距离A1～距离Aa，正整数a取值范围为4～6；
(2)定义一发射的激光测距脉冲组，它包含测距脉冲个数为MD，MD＝a×MI，正整数MI取值范围为4～12；
(3)将一个发射激光测距脉冲组均分为a个小组，按测距模式排列依序发射；
(4)将激光发射驱动器的驱动电流分为a个挡，按测距模式依序线性增大；
(5)在每个测距模式对应区域的前区对激光回波信号接收回路采用时控，以屏蔽自测距脉冲发射瞬间至时控时间噪声信号，对激光回波信号接收回路按a个测距模式的时控时间TC实行依序等比递增，从TC(1)＝bA1至TC(a)＝bAa，b为时控系数，b取值范围为0.2～0.4；
(6)发射一个包含测距脉冲个数为MD的激光测距脉冲组进行测距；
(7)通过发射和接收一组测距脉冲，智能判断被测目标物所处于的距离模式；
(8)确定距离模式，为转入时间分集的精确测距提供确定的距离模式。
(三)接收灵敏度自动控制
(1)设定a个不同的测距区域：A1～Aa；
(2)设定a个不同的回波质量参数即脉宽参考值：Q1～Qa；
(3)发射一组激光测距脉冲，该组激光测距脉冲等分为a个小组，两个激光测距脉冲小组间留有合理的处理时间间隔；设定a个比较器参考电压值V1～Va；
(4)调用距离模式自动切换子程序处理，通过发射一个激光测距脉冲组测距，确定测距模式，同时以相应的回波质量参数Q(a)为灵敏度调整初始值；接收一组激光测距回波脉冲，测量回波脉冲信号脉宽WI；测量回波脉宽值并判断是否小于相对应脉宽参考值；另一方法是在确定的距离模式下再发射一组激光测距脉冲，测量回波脉宽值并判断是否小于相对应脉宽参考值；
(5)若测量回波脉宽WI＞相对应脉宽参考值Q(a)；则通过调整比较器参考电压来实现灵敏度调整；
(6)若判断回波脉宽≤相对应脉宽参考值Q(a)，则保持比较器参考电压，不作灵敏度调整；
(7)在调整的灵敏度下，完成多组激光测距脉冲的精确测距；
另一方法是在确定的距离模式下，再发射一组激光测距脉冲，实际测量回波脉宽值WI，再通过判断WI＜Q(a)，完成灵敏度调整。
(四)防抖动处理
(1)初始化，基于时间分集接收处理设定的测距参数：ID、D、E、R1、Tn、m、Qm以及测距防抖参数S，S取值范围为1～5；
(2)发射一组激光测距脉冲，测距脉冲个数为ID，基于回波光信号的时间分集接收处理，接收和处理得到的ID个测距数据，存入数组Result1；
(3)一次测距采用多个激光测距脉冲组受控组合发射；
(4)每一组回波光信号实现第一级时间分集接收，实现相近值分集处理，相近值取决于测距防抖参数S与测距品质参数Qm的乘积值D’A，D’A＝SQm；
(5)用多组回波光信号实现第二级时间分集接收处理，实现有效值分集处理；
(6)当激光测距有效值个数满足大数分集处理条件，控制结束一次测距组合发射，对时间分集测距有效值实现平滑处理，通过智能判断获得相对高精度测距值；
(7)如果一次测量的测距时间＞Tn为超时，发出重新测量提示；
(8)自动复位，等待下一次测距。
所述一种测距装置系统低功耗配置方法，它包括：
(1)改进激光发射驱动电路，采用参数为Vgs＝20V、Ids＝30-40A、Vds＝1V、tr＝1.9ns低压降、瞬间大电流与高速的场效应管M1作为纳秒开关元件，构成高速开关回路，降低激光发射驱动电路的驱动电压；
(2)选用低偏置电压的光电二极管，光电二极管采用PIN管；降低偏置电压的光接收器有利于减小功耗；
(3)采用TOREX公司升压DC-DC转换器电源模块，其转换效率优 于直流稳压器电源，减少了稳压带来的能源损耗；
(4)时间间隔计量单元采用Xilinx CoolRunnerII系列低功耗CPLD；
(5)采用距离模式自动切换和接收灵敏度控制，通过发射和接收一组测距脉冲智能判定被测目标物所处的距离模式，合理控制驱动功率，有利于节省功耗；
(6)采用时间分集接收处理以及测距防抖处理，提高测距精度，减少因抖动而重复测距的次数，直接节省测距功耗。
一种高精度、低功耗的激光测距装置，它包括DC-DC电源、激光脉冲发射单元、灵敏度自动控制单元、高精度时间间隔计量单元、微处理器MCU以及透镜、显示器，在激光测距装置的MCU中加载有系统程序；其中
一DC-DC电源，它为各单元提供所需的电源；
一激光脉冲发射单元，用于发射激光脉冲信号；激光脉冲发射单元与高精度时间间隔计量单元相连，发射激光脉冲信号通过透镜01聚焦；
一灵敏度自动控制单元，通过灵敏度控制处理，使该完成接收激光信号的单元始终保持相对最佳的接收灵敏度；该灵敏度自动控制单元接收透镜02输出的激光脉冲反射信号，并与高精度时间间隔计量模块相连；
一高精度时间间隔计量单元，它与激光脉冲发射单元、自动灵敏度控制单元以及微控制器相连；该高精度时间计量单元用于控制激光脉冲发射时序、测量激光信号从发射到接收到激光回波信号的时间间隔以及测量回波信号的脉宽，从而确定回波信号的质量以及确定灵敏度控制信号PWM；
一微处理器MCU，用于控制高精度时间间隔计量单元的工作信号，读取激光飞行时间间隔并处理得出距离值，以实现高精度测距和测距防抖功能；该微处理器与时间间隔计量单元相连；
所述系统程序包括有时间分集接收处理子模块兼防抖动处理子模块、距离模式自动切换子模块和接收灵敏度控制子模块以及常规的定时子模块、RS232通信子模块、按键识别及处理子模块、电池电量检测子模块、显示子模块等。
所述激光脉冲发射单元包括：
一半导体激光发射器，用于产生脉冲激光信号；
一高速驱动回路，用于驱动高速MOS管开关；该速驱动回路与高速开关输入端相连；
一高速开关回路，用于控制半导体激光发射器发出激光，该高速开关回路与高速驱动回路输出端相连；
一计数开始信号取样电路，用于触发时间间隔计量模块开始计时，该计数开始信号取样电路与高速开关回路输出端相连。
所述灵敏度自动控制单元包括：
一光电转换元件，该光电转换元件是一PIN光电二极管，用于接收激光回波脉冲信号并将其转换为电信号；
一激光信号接收放大回路，用于放大PIN光电二极管转换得到的回波脉冲信号，该激光信号放大回路与光电转换元件相连；
一高速比较器，用于转换激光回波脉冲的模拟信号到数字信号；该高速比较器与激光信号接收放大回路相连；
一数模转换电路，用于把时间间隔计量单元输出的数字控制信号PWM转换成模拟信号来控制灵敏度和距离自动换挡；数模转换电路输入端连接时间间隔计量单元输出端，其输出端与高速比较器的一输入端相连；
所述高精度时间间隔计量单元包括：
一高速时钟发生器，由高精度温补晶振TCXO经锁相环倍频后产生高精度的高速时钟信号；高频高稳定性时钟信号由TCXO经锁相环(PLL)倍频后产生，因而该时钟信号与TCXO有等同精度和高频高稳定性；
一计时及处理模块，包括：
一逻辑控制单元，它与高速计数器、锁存器及微控制器MCU相连；依据获取的激光脉冲发射瞬间和接收回波光信号瞬间的信息，控制锁存器锁存计数值的起停时机；
一高速计数器，其计数信号输入端连接高速时钟发生器，其计数控制端连接逻辑控制单元，其输出端连接锁存器，高速计数器受逻辑控制单元控制对高频时钟信号计数，并将该计数值存入锁存器；
一锁存器，它与高速计数器、逻辑控制单元及并串转换接口相连；用于锁存高速计数器的计数值；
一并串转换接口，它与锁存器及微控制器MCU相连；用于向MCU传输锁存器锁存的计数值数据；MCU据此计数值数据计算得到距离数据；
该计时及处理模块与高速时钟发生器、微处理器以及激光脉冲发射单元、灵敏度自动控制单元相连，计时及处理模块通过对高速时钟信号计数来实现测距时间计量，计时及处理模块输出PWM控制信号对接收灵敏度进行控制。
所述回波光信号的时间分集接收处理子程序，包括下列步骤：
(1)定义激光测距脉冲的时间分集组发射，设置时间分集参数：
1)一组发射所包含激光测距脉冲个数ID；ID＝a×MI，a为测距区域划分个数，正整数a取值范围为4～6，正整数MI取值范围为3～9；
2)一次测量多组发射所包含激光测距脉冲组数GD，正整数GD取值范围为1～6；
3)第一级时间分集组接收的距离相近值个数D，正整数D取值范围为4～9；
4)第二级时间分集多组接收的距离有效值个数E，正整数E取值范围为1～4；
5)定义两个数组：数组Result1，元素个数等于ID；数组Result2，元素个数等于GD；
6)定义相邻元素差值DA＝Qm×R1；Qm为测距品质参数，其取值范围为1～5的正整数；R1为装置的距离分辨率值；
7)一次测量距离限定时间Tn；
(2)多个激光测距脉冲组成一个激光测距脉冲组，一次测距采用多个激光测距脉冲组受控组合发射；
(3)每一组回波光信号实现第一级时间分集接收，将对应该组每个激光测距脉冲得到的每个测距离值实现相近值分集处理，从中选择最大集完成组测距值计算，得到每组的组测距计算值；
(4)用多组回波光信号实现第二级时间分集接收，将多组第一级时间分集接收的组测距计算值实现有效值分集接收；
(5)统计一次测距受控组合发射得到的激光测距有效值个数；
(6)对其作动态判断；若激光测距有效值个数满足大数分集处理条件，进入步骤(7)；否则转步骤(8)；
(7)将激光测距有效值实现时间分集平滑处理；
(8)输出控制信号，结束一次测距，向显示器输出测距数据。
所述距离模式自动切换子程序，包括以下步骤：
(1)初始化距离模式参数设置：以设置6个测距模式为例；
1)测距区域划分测距模式个数，正整数a取值范围为4～6；如设置a＝6；
2)定义测距模式：近距离A1、中近距离A2、中距离A3、中远距离A4、远距离A5和超远距离A6；不同的测距区域对应不同的比较器参考电压；
3)定义一组发射的激光测距脉冲组，一组发射激光测距脉冲组包含测距脉冲个数为MD＝a×MI＝36；正整数MI取值范围为3～9，MI取值为6，
4)定义时控值；每个测距区域设置一个时控区，发射激光测距脉冲的同时按时控值对接收激光信号接收单元输入端实施信号屏蔽，每个测距区域分别设定屏蔽距离值，则屏蔽小于此数值的干扰脉冲，从而提高性噪比；
(2)将一个发射激光测距脉冲组均分为6个小组按测距模式依序发射；
(3)将激光发射驱动器的驱动电流分为6挡，按测距模式依序线性增大；
(4)对激光回波信号接收回路按6个测距模式的时控时间TC(a)＝TC(1)～TC(6)实行依序等比递增，从TC(a)＝bA1至TC(6)＝bAa；b为时控系数，b取值范围为0.2～0.4；示例取b＝0.3；
(5)在每个测距模式对应区域的前区对激光回波信号接收回路采用时控，以屏蔽测距脉冲发射瞬间噪声信号，
(6)发射一个包含测距脉冲个数MD为36的激光测距脉冲组进行测距；
(7)通过发射和接收一组测距脉冲，智能判断被测目标物所处于的距离模式；
(8)调整驱动电流，测距装置工作于动态确定的距离模式。
所述接收灵敏度控制子程序，包括下列步骤：
(1)初始化设定测距接收灵敏度控制参数
设定a个不同测距区域：A1～Aa；设定不同测距区域的回波质量参数即a个脉宽参考值值：Q1～Qa，将一组激光测距脉冲等分为a个小组，两个激光测距脉冲小组间留有合理的处理时间间隔；设定a个比较器参考电压值V1～Va；
(2)执行距离自动切换模式子程序，确定测距模式，同时确定相应的回波质量参考值Q(a)；回波质量参考值用脉宽参考值来表述；
(3)接收一组激光测距回波脉冲，测量得到回波脉冲信号脉宽WI值；脉宽参考值为回波脉冲宽度所对应的高速计数器的计数值；
(4)通过判断WI值是否小于相对应Q(a)，来确定灵敏度调整；
a、若回波脉宽WI小于相对应脉宽参考值Q(a)，表示灵敏度合适，则灵敏度调整已完毕；
b、若回波脉宽WI大于相对应脉宽参考值Q(a)，则表示灵敏度不合适，自动提高一挡比较器参考电压，然后返回步骤(3)执行；
(5)完成灵敏度调整后，自动进入测量激光脉冲信号的飞行时间并换算成距离输出到显示装置。
所述时间分集接收处理子模块能够与防抖处理子模块整合为一：
(1)在时间分集接收处理子模块初始化时，增加定义测距防抖参数S和测距品质参数Qm；
(2)相邻元素测距值的差值DA改用测距品质参数Qm与测距防抖参数S的乘积D’A；，其表达式为D’A＝SQm，单位为装置的距离分辨率R1；S的取值范围为1～5；S值的选择取决于目标物的大小和防抖动的需求，两 者兼顾，合理选择。
两子模块的整合能较好实现防抖功能和节省功耗。
所述高速开关回路采用了低压降、低内阻的高速功率场效应管作为纳秒开关元件。
本发明的有益效果在于：
1、对便携式激光测距装置采用系统的低功耗配置，使用低功耗器件，有效的降低功耗，延长电池使用时间，使激光发射驱动电压降低到15-20V，激光接收器的偏置电压降低到5-8V，就能降低对其它电路的辐射与干扰，提高产品稳定性。
2、基于测距数据时间分集接收处理、距离模式自动转换以及灵敏度控制的有机结合，使得对不同天气及不同距离模式通过智能判断与处理既能获得高测距精度，而且操作简便，不需人工切换模式。
3、时间分集接收处理兼而实现测距防抖处理，使装置具备防抖动功能。
附图说明
图1为本发明高精度、低功耗激光测距装置的构成框图。
图2为本发明的激光脉冲发射单元实施例的电路图。
图3为本发明的灵敏度自动控制单元实施例的框图。
图4为本发明的高精度时间间隔计量单元实施例的计时及处理模块的组成框图。
图5为本发明装置实施例的时间分集接收处理子模块的工作流程图。
图6为本发明装置实施例的距离模式自动切换子模块的工作流程图。
图7为本发明的灵敏度控制技术工作流程图
图8为本发明本发明激光测距装置实施例的防抖功能的工作流程图。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
本发明低功耗激光测距装置的构成框图如图1所示，它包括：透镜01和02、激光脉冲发射单元11、灵敏度自动控制单元12、高精度时间间隔计量单元13、DC-DC电源14、微处理器MCU15和显示器16。
DC-DC电源14，它为各单元提供所需的电源；
激光脉冲发射单元11，激光脉冲发射单元与时间间隔计量模块13相连；用于发射脉冲激光信号；
灵敏度自动控制单元12，通过灵敏度控制技术，使接收激光信号接收单元始终保持对脉冲激光信号的最佳接收灵敏度；该灵敏度自动控制单元与时间间隔计量模块13相连；
高精度时间间隔计量单元13，用于控制激光脉冲发射时序、测量激光信号从发射到接收到激光回波信号的时间间隔以及测量回波信号的脉宽，从而确定回波信号的质量进而确定灵敏度控制信号；该高精度时间计量单元与激光脉冲发射单元11，自动灵敏度控制单元12以及微控制器15相连。
微处理器MCU15，用于控制高精度时间间隔计量单元13的工作信号，读取激光飞行时间间隔并处理得出距离值，以实现高精度测距和测距防抖功能；该微处理器与时间间隔计量模块13和显示器16相连。在微处理器MCU15上加载有系统程序，系统程序主要包括有时间分集接收处理子模块兼防抖处理子模块、距离模式自动切换子模块和接收灵敏度控制子模块，还包括常规的定时、RS232通信、按键识别及处理、电池电量检测、显示等子模块。
本发明的激光脉冲发射单元实施例电路图如图2所示，它包括依次相连的高速驱动回路21、高速开关回路22、半导体激光发射器23，还有计数开始信号取样电路24，其一端并接在半导体激光发射器23的光电二极管上。
高速驱动回路21，用于驱动高速开关回路22的高速MOS场效应管的开关。该高速驱动回路与高速开关回路22输入端相连，为高速开关管M1提供足够大的驱动电流Ids；高速驱动回路21的输入端T连接计时及处理模块133。
高速开关回路22，用于控制半导体激光发射器发出激光脉冲，高速开关管M1采用采用参数为Vgs＝20V、Ids＝30～40A、Vds＝1V、tr＝1.9ns的低压降、大瞬间电流与高速的场效应管，作为纳秒级开关部件使回路构成高速开关，该高速开关回路的输出端与红外光电二极管D2，其输入端与高速驱动回路21输出端相连。
半导体激光发射器23，采用红外光电二极管D2，用于产生脉冲激光信号。
计数开始信号取样电路24为阻容耦合电路，用于获取时间计量的开始计时点，该计数开始信号取样电路24的一端与高速开关回路22输出端相连，另一端O与高精度时间间隔计量单元13相连。
本发明灵敏度自动控制单元实施例的组成框图，参见图3。它包括：光电信号转换回路31、信号放大回路32、高速比较器33和数模转换电路34。
光电信号转换回路31，该回路光电转换元件是PIN光电二极管，其输出连接信号放大回路32的输入端，用于接收回波的激光脉冲信号并将其转换为电信号。
信号放大回路32用于放大PIN光电二极管转换得到的回波脉冲电信号，其输出端与高速比较器33的一个输入端相连。
高速比较器33，用于将信号放大回路32放大的模拟信号转换到数字信号，高速比较器的两个输入端分别与信号放大回路32和数模转换电路34相连，其输出端连接到计时及处理模块133。
数模转换电路34，用于把时间间隔计量单元输出的数字控制信号PWM转换成模拟信号来控制灵敏度和距离自动换挡。数模转换电路34输入端连接高精度时间间隔计量单元13输出端，其输出端与高速比较器33的一输入端相连。
图4所示为本发明实施例的高精度时间间隔计量单元的计时及处理模块133组成框图，它包括：逻辑控制单元41、高速计数器42、锁存器43和并串转换接口44。
逻辑控制单元41，其两个输入端分别连接激光脉冲发射单元的O端和灵敏度自动控制单元的输出端R，获取的激光脉冲发射瞬间和接收回波光信号瞬间信号，控制锁存器43锁存计数值的起停时机。该逻辑控制单元41与高速计数器42、锁存器43及微控制器MCU15相连。
高速计数器42，其接入的高速时钟信号由高精度温补晶振(TCXO)131经锁相环(PLL)132倍频后产生，这高速的时钟信号与TCXO有同等 的高精度，并具有高频高稳定性，用于对高频时钟计数。
锁存器43，用于锁存高速计数器42的计数值。该锁存器43与逻辑控制单元41、高速计数器42以及并串转换接口44相连。
并串转换接口44，用于向微控制器传输锁存器锁存的计数值数据，该并串转换接口44输出端与微控制器MCU 15相连。
结合图1～图4，对高精度、低功耗激光测距装置的工作过程作如下描述：激光测距装置通过微处理器MCU 15输出一测量控制信号给高精度时间间隔计量单元13，由计时及处理模块133处理后触发激光脉冲发射单元11发出激光脉冲，测量控制信号的形式在装置初始化时定义为一个脉冲组，激光脉冲发射单元11在发射激光脉冲组的同时，由计数开始信号取样电路24直接耦合得到一计数开始信号送给高精度时间间隔计量单元13的计时及处理模块133，高精度时间间隔计量单元13开始计时。发射的一组激光脉冲被目标物反射形成一组回波光脉冲，由光电信号转换回路31的PIN光电二极管D1将接收到回波光脉冲信号转换成电信号，然后经信号放大回路32放大后由高速比较器33转换成数字信号，由输出端R送到高精度时间间隔计量单元13进行处理，输出一对应的PWM信号给数模转换电路34，数模拟转换电路34输出控制高速比较器的参考电压值，以便达到控制灵敏度和距离模式的自动换挡，确保测距信息高精度。
发射的激光脉冲通过物体反射后经灵敏度控制电路12放大整形后输送给高精度时间间隔计量单元14，高精度时间间隔计量单元14通过对激光的飞行时间的测量以及回波脉宽的测量，将数据输出给微处理器MCU15，微处理器MCU15对高精度时间间隔计量单元13的信号进行处理，通过系统程序智能分析，控制高精度时间间隔计量单元13以及灵敏度控制单元12，实现时间分集接收处理与防抖功能，输出高精度的测距信息。
当激光脉冲发射单元11的输入端T得到发射信号时，高速驱动回路21提升驱动能力后，驱动高速开关回路22的高速场效应管M1快速打开，电容C2上的电荷通过高速场效应管M1、接地端、半导体激光发射器23回路高速放电，形成高峰值、窄脉宽的电流脉冲，驱动半导体脉冲激光器20发 出窄脉冲激光；脉冲激光发射时，在电容C2与脉冲激光二极管D2对地产生一负的发射脉冲，通过计数开始信号取样电路24得到触发计数开始信号所需的触发脉冲，提供给高精度时间间隔计量单元13。
通过脉冲发射单元11的开始计数信号以及灵敏度自动控制单元12的停止计数脉冲信号，控制对高速时钟信号计数，从而进行时间间隔计量，并对回波信号脉宽作判别处理，进而实现接收灵敏度的控制和调整，达到最佳灵敏度状态，该计时及处理模块133与高速计数器42及数模转换器34相连。
如图5所示为本发明装置实施例时间分集接收处理工作流程，它包括：
S501定义激光测距脉冲的时间分集组发射，设置测距时间分集参数：
1)一组发射所包含激光测距脉冲个数ID；；
2)一次测量多组发射所包含激光测距脉冲组数GD；
3)第一级时间分集组接收的距离相近值个数D；
4)第二级时间分集多组接收的距离有效值个数E；
5)定义两个数组：数组Result1，元素值等于ID；数组Result2，元素值等于GD；
6)相邻元素差值DA，其单位为距离分辨率；
7)一次测量距离限定时间Tn；
设置举例ID＝36，GD＝4，D＝6，E＝3，DA＝1，Tn＝3s；36个激光测距脉冲组成一个激光测距脉冲组，一次测量4组激光测距脉冲组组合发射；
S502发射一组激光测距脉冲对被测物测距，一组36个激光测距脉冲以相同周期序列发射；
S503对一组测距脉冲回波信号实现第一级时间分集组接收处理：
1)对该组每个测距脉冲回波信号逐一计算得到36个距离值；
2)将36个距离值存入数组Result1的36个元素中并按大小重新排序；
3)对相邻元素距离差值DA按±1作距离相近值统计元素段，从中选择符合相邻元素距离差值±1的最大长度元素段Dmax，对所选元素段中的测距 值作均值平滑处理，完成组分集测距值计算，得到该组测距计算值；
S504判断Dmax≥D？若Dmax≥6组测距有效，执行S505；否则组测距无效，转S502；
S505对多组回波光信号实现第二级时间分集接收，将经S504判断送来的第一级时间分集组接收的有效测距值，存入数组Result2的一个元素中；
S506判断一次测量距离时间≥Tn？若超时，跳转S508；否则为不超时，执行S507；
S507将有效测距值个数+1，并判断有效测距值个数＜E？若是，转S502，进行下一组激光脉冲测距；否则，执行S508；
S508实现测距有效值分集接收处理：
1)读取存入数组Result2的4个元素中的有效测距值；
2)对4个元素中测距值作均值平滑处理，得到一次测量距离数据；
S509结束一次测距，输出控制信号：
1)若一次测距成功，向显示器输出测距数据；
2)若因超时结束测距，向显示器发出重新测距提示。
图6为本发明装置实施例的距离模式自动切换工作流程，它包括：
步骤S601初始化设置距离模式参数：
1)测距区域划分测距模式个数a；
2)定义测距模式Aa：近距离A1、中近距离A2、中距离A3、中远距离A4、远距离A5和超远距离A6；
3)定义小组发射激光测距脉冲个数Ig，取值为正整数；一组发射激光测距脉冲个数为ID＝a×Ig；
4)定义时控值TC(a)：为每个测距区域设置一个时控区，在发射激光测距脉冲的同时按时控值对接收激光回波信号输入端实施信号屏蔽；
5)设置时控系数b：每个测距区域的接收屏蔽距离值为LC(a)＝bAa，TC(a)＝LC(a)/C；
设置举例：a＝6，A1＝50、A2＝150、A3＝300、A4＝500、A5＝800、A6＝1200；Ig＝6，ID＝a×Ig＝36，b＝0.3；
步骤S602将一个发射激光测距脉冲组均分为6个发射小组，按测距模式依序发射；
步骤S603将激光脉冲发射单元高速驱动回路的驱动电流分为6挡，按测距模式依序增大；如2A、5A、10A、20A、30A、40A，电流的变化是通过发射脉宽及电压来控制；
步骤S604对激光回波信号接收按6个测距模式施行时控，时控时间TC(1)～TC(6)依序递增；
步骤S605在每个测距模式对应区域的前区对激光回波信号接收输入端按区实施时控，以屏蔽测距脉冲发射瞬间噪声信号；
步骤S606对接收到的每一小组激光测距脉冲回波信号进行距离相近值分集处理，按均值平滑计算得到每一测距模式下的距离值；
步骤S607智能判断被测目标物所处于的距离模式；判断测得的距离值小于该距离模式蔽距离值，视为无被测目标物；否则，视为有被测目标物，确定该距离模式为当前工作模式；
步骤S608调整驱动电流，使测距装置工作于动态确定的距离模式。
图7所示为本发明装置实施例的的灵敏度控制的工作流程；它包括：
步骤S701初始化设定测距接收灵敏度控制参数：
1)设定a个测距模式：A1～Aa；
2)设定a个不同测距模式的回波质量参数即脉宽参考值：Q1～Qa；
3)设定a个比较器参考电压值V1～Va；
设置举例：a＝6，6个脉宽参考值Q1～Q6，6个比较器参考电压值V1～V6；
步骤S702调用距离模式自动切换子程序；确定测距模式和回波质量参数Q(a)；
步骤S703发射一个激光测距脉冲组；
步骤S704基于距离模式自动切换处理，测量回波脉宽WI(a)；
步骤S705判断WI(a)是否小于相对应脉宽参考值Q(a)？；若是，执行S706；否则转S707；
步骤S706灵敏度调整完毕，执行S708；
步骤S707调整灵敏度，提高一挡比较器参考电压值后，返回S703；
步骤S708测量激光脉冲信号飞行时间并换算成距离输出到显示装置。
图8示出了本发明激光测距装置实施例的具有防抖功能的测距工作流程图。参见图8，具有防抖功能的测距工作流程描述如下：
步骤S801首先在装置初始化时，设定测距时间分集参数：ID、GD、D、E、DA、Tn；
另外设定测距防抖参数S、测距分辨率R1、测距品质参数Qm；防抖功能的相邻元素差值D’A＝S Qm R1；
举例设置：ID＝36，GD＝4，E＝3，D＝6，Qm＝1，S＝4，D’A＝4R1，Tn＝3s；以及定义两个数组：数组Result1有36个元素，数组Result2有4个元素。
步骤S802发射第一个激光测距脉冲组，把回波接收光信号并经处理得到的36个测距数据依次存入数组Result1的36个元素中；
步骤S803对数组Result1中存放36个测距数据的36个元素值作升序排列处理；
执行步骤S804先逐一判断数组Result1中相邻两个元素值的差值是否满足D’A≤±4R1的条件，进而，计算满足相邻元素差值≤±4R1的、连续的元素个数值，选取其中最大值Dmax；
步骤S805判断一次测量的测距时间＜3s，若是测距时间不超时，转S806处理；否则测距时间超时，结束一次测量，给出测量无效指示送显示器。
步骤S806判断组测距有效条件：Dmax≥D？，若Dmax≥6，测距有效，执行S807；若Dmax＜6，则测距无效，返回步骤S802；
S807从数组Result1中读取Dmax个元素的元素值并求其平均值，计算得到该组测距结果的距离数据，将该组的测距数据存入数组Result2中；同时将有效测距的激光脉冲组数加1：m＝m+1；
S808判断一次测量重复组发射的有效测距组数值m＝E，若m＝4，从数组Result2中读取4个测距数据，再求4组测距数据的平均值，获得该次测量结果的距离值，否则执行步骤S802；实现较好的防抖动和节省功耗的效果，给出一次测量的测距结果送显示器。
S809结束一次测量，给出测量无效指示送显示器；
S810结束一次测量，给出一次测量的测距结果送显示器。
本发明装置的另一个实施例：将防抖处理子模块与时间分集接收处理子模块合二为一，由于两个功能子模块都是基于时间分集接收处理，设置参数基本相同，按照激光测距装置的主要用途，合理调整测距防抖参数S和测距品质参数Qm，控制相邻元素差值D’A，保持较高的测距分辨率，就能实现两个功能互相兼顾。
本发明装置的另一个实施例：将距离模式自动切换子模块与灵敏度控制处理子模块合二为一，只要在距离模式自动切换子模块设置参数中加入灵敏度控制参数，同样能够在完成距离模式自动切换，同时也能实现灵敏度控制。
综上所述，本发明的优点在于由于激光发射驱动电路采用了高速驱动回路与及低压降、瞬间大电流与高速的场效应管构成高速开关回路组合，使得其发射偏压只需要15-20V，接收采用了PIN光电二极管作为光电转换元件，其电压只需5V-8V，时间间隔计量单元采用Xilinx CoolRunnerII系列低功耗CPLD；同时供电转换采用了高效率的DC-DC转换器，达到其低功耗的效果，因而适用于用电池供电的手持装置。测距采用了时间分级接收处理技术结合灵敏度控制技术，使得对不同天气及不同距离环境通过智能判断与处理获得高精确度距离而不需人工切换模式，并且还具有防抖动处理，有效的提高精度和稳定性，而且操作简便，具备增加功能和提升性能的显著效果，既符合产业的发展趋势，又有服务于广大用户的广阔应用前景。
本领域技术人员在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。
Claims (6)
1.一种高精度、低功耗的激光测距方法，包括一种高精度激光测距信号处理方法以及测距装置系统低功耗配置方法；
所述高精度激光测距信号处理方法，它包括：
(一)回波光信号的时间分集接收处理，包括：
(1)激光测距脉冲采用时间分集组发射；一组激光测距脉冲为若干个相同周期的脉冲；
(2)一次测量采用多个激光测距脉冲组受控组合发射；一次测量的多个激光测距脉冲组实现一种测距功能或分组实现多种测距功能；
(3)每组发射后对接收回路输入端按时控时间实行屏蔽；
(4)每一组回波光脉冲信号都完成第一级时间分集接收，实现相近值分集处理；对每组激光测距相近值个数作满足大数分集条件处理，不满足条件判一组测距无效；
(5)用多组回波光信号完成第二级时间分集接收处理，实现有效值分集处理；对一次测量的多组激光测距有效值个数作满足大数分集条件处理，不满足条件并超时判为一次测量无效；
(6)一次测量的测距时间超过时限，则结束一次测量；否则继续测量；
(7)一次有效测量结束，对时间分集测距有效值实现平滑处理，通过智能判断获得高精度测距值；
(8)输出一次测距数据，在显示器作数字显示；
(二)距离模式自动切换处理，包括：
(1)将最大测距区域划分为a个测距模式：距离A1～距离Aa，正整数a取值范围为4～6；
(2)定义一组发射的激光测距脉冲组，它包含测距脉冲个数为MD，MD＝a×MI，正整数MI取值范围为4～12；
(3)将一个发射激光测距脉冲组均分为a个小组，按测距模式排列依序发射；
(4)将激光发射驱动器的驱动电流分为a个挡，按测距模式依序线性增大；
(5)在每个测距模式对应区域的前区对激光回波信号接收回路采用时控，以屏蔽自测距脉冲发射瞬间至时控时间噪声信号，对激光回波信号接收回路按a个测距模式的时控时间TC实行依序等比递增，从TC(1)＝bA1至TC(a)＝bAa，b为时控系数，b取值范围为0.2～0.4；
(6)发射一个包含测距脉冲个数为MD的激光测距脉冲组进行测距；
(7)通过发射和接收一组测距脉冲，智能判断被测目标物所处于的距离模式；
(8)确定距离模式，为转入时间分集的精确测距提供确定的距离模式；
(三)接收灵敏度控制，包括：
(1)设定a个不同的测距区域：A1～Aa；
(2)设定a个不同的回波质量参数即脉宽参考值：Q1～Qa；
(3)发射一组激光测距脉冲，该组激光测距脉冲等分为a个小组，两个激光测距脉冲小组间留有合理的处理时间间隔；设定a个比较器参考电压值V1～Va；
(4)调用距离模式自动切换子程序处理，通过发射一个激光测距脉冲组测距，确定测距模式，同时以相应的回波质量参数Q(a)为灵敏度调整初始值；接收一组激光测距回波脉冲，测量回波脉冲信号脉宽WI；测量回波脉宽值并判断是否小于相对应脉宽参考值；另一方法是在确定的距离模式下再发射一组激光测距脉冲，测量回波脉宽值并判断是否小于相对应脉宽参考值；
(5)若测量回波脉宽WI＞相对应脉宽参考值Q(a)；则通过调整比较器参考电压来实现灵敏度调整；
(6)若判断回波脉宽≤相对应脉宽参考值Q(a)，则保持比较器参考电压，不作灵敏度调整；
(7)在调整的灵敏度下，完成多组激光测距脉冲的精确测距；
(四)防抖动处理，包括：
(1)初始化，基于时间分集接收处理设定的测距参数：测距脉冲个数ID、第一级时间分集组接收的距离相近值个数D、第二级时间分集多组接收的距离有效值个数E、距离分辨率值R1、一次测量距离限定时间Tn、有效测距激光脉冲组数m、测距品质参数Qm以及测距防抖参数S，S取值范围为1～5；
(2)发射一组激光测距脉冲，测距脉冲个数为ID，基于回波光信号的时间分集接收处理，接收和处理得到的ID个测距数据，存入数组Result1；
(3)一次测距采用多个激光测距脉冲组受控组合发射；
(4)每一组回波光信号实现第一级时间分集接收，实现相近值分集处理，相近值取决于测距防抖参数S与测距品质参数Qm的乘积值D’A，D’A＝SQm；
(5)用多组回波光信号实现第二级时间分集接收处理，实现有效值分集处理；
(6)当激光测距有效值个数满足大数分集处理条件，控制结束一次测距组合发射，对时间分集测距有效值实现平滑处理，通过智能判断获得相对高精度测距值；
(7)如果一次测量的测距时间＞Tn为超时，发出重新测量提示；
(8)自动复位，等待下一次测距；
所述一种测距装置系统低功耗配置方法，它包括：
(1)改进激光发射驱动电路，采用高速开关构成高速开关回路，降低激光发射驱动电路的驱动电压；
(2)选用低偏置电压的光电二极管作为光接收器，降低偏置电压的光接收器有利于减小功耗；光电二极管采用PIN；
(3)采用高转换效率的DC-DC电源，其转换效率优于直流稳压器电源，减少了稳压带来的能源损耗；
(4)高精度时间间隔计量单元选用低功耗的CPLD时间间隔计量器件；
(5)采用距离模式自动切换和接收灵敏度控制，通过发射和接收一组测距脉冲智能判定被测目标物所处的距离模式，合理控制驱动功率，有利于节省功耗；
(6)采用时间分集接收处理以及测距防抖处理，提高测距精度，减少因抖动而重复测距的次数，直接节省测距功耗。
2.根据权利要求1所述方法构成的一种高精度、低功耗的激光测距装置，它包括DC-DC电源、激光脉冲发射单元、灵敏度自动控制单元、高精度时间间隔计量单元、加载有系统程序的微处理器MCU以及透镜、显示器；其中
一DC-DC电源，它为各单元提供所需的电源；
一激光脉冲发射单元，用于发射激光脉冲信号；激光脉冲发射单元与高精度时间间隔计量单元相连，发射激光脉冲信号通过透镜01聚焦；
一灵敏度自动控制单元，通过灵敏度控制处理，使该完成接收激光信号的单元始终保持相对最佳的接收灵敏度；该灵敏度自动控制单元接收透镜02输出的激光脉冲反射信号，并与高精度时间间隔计量单元相连；
一高精度时间间隔计量单元，它与激光脉冲发射单元、自动灵敏度控制单元以及微控制器相连；该高精度时间间隔计量单元用于控制激光脉冲发射时序、测量激光信号从发射到接收到激光回波信号的时间间隔以及测量回波信号的脉宽，从而确定回波信号的质量以及确定灵敏度控制信号PWM；
一微处理器MCU，用于控制高精度时间间隔计量单元的工作信号，读取激光飞行时间间隔并处理得出距离值，以实现高精度测距和测距防抖功能；该微处理器与高精度时间间隔计量单元相连；
所述加载系统程序的MCU能够进行回波光信号的时间分集接收处理兼防抖处理、距离模式自动切换和接收灵敏度控制以及常规的定时、RS232通信、按键识别及处理、电池电量检测、显示。
3.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光脉冲发射单元包括：
一半导体激光发射器，用于产生脉冲激光信号；
一高速驱动回路，用于驱动高速MOS管开关；该高速驱动回路与高速开关输入端相连；
一高速开关回路，用于控制半导体激光发射器发出激光，该高速开关回路与高速驱动回路输出端相连；
一计数开始信号取样回路，用于触发高精度时间间隔计量单元开始计时，该计数开始信号取样回路与高速开关回路输出端相连。
4.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述灵敏度自动控制单元包括：
一光电转换元件，该光电转换元件是一PIN光电二极管，用于接收激光回波脉冲信号并将其转换为电信号；
一激光信号接收放大回路，用于放大PIN光电二极管转换得到的回波脉冲信号，该激光信号接收放大回路与光电转换元件相连；
一高速比较器，用于转换激光回波脉冲的模拟信号到数字信号；该高速比较器与激光信号接收放大回路相连；
一数模转换电路，用于把高精度时间间隔计量单元输出的PWM数字控制信号转换成模拟信号来控制灵敏度和距离自动换挡；数模转换电路输入端连接高精度时间间隔计量单元输出端，其输出端与高速比较器的一输入端相连。
5.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述高精度时间间隔计量单元包括：
一高速时钟发生器，它包括：一高精度温补晶振TCXO和一锁相环PLL；由高精度温补晶振TCXO经锁相环PLL倍频后产生高精度的高速时钟信号，高速时钟信号由TCXO经锁相环倍频后产生，它与TCXO有等同精度和高频高稳定性；以及
一计时及处理模块，它包括：
一逻辑控制单元，它与高速计数器、锁存器及微控制器MCU相连；依据获取的激光脉冲发射瞬间和接收回波光信号瞬间的信息，控制锁存器锁存计数值的起停时机；
一高速计数器，其计数信号输入端连接高速时钟发生器，其计数控制端连接逻辑控制单元，其输出端连接锁存器，高速计数器受逻辑控制单元控制对高频时钟信号计数，并将该计数值存入锁存器；
一锁存器，它与高速计数器、逻辑控制单元及并串转换接口相连；用于锁存高速计数器的计数值；
一并串转换接口，它与锁存器及微控制器MCU相连；用于向MCU传输锁存器锁存的计数值数据；MCU据此计数值数据计算得到距离数据；
该计时及处理模块与高速时钟发生器、微处理器以及激光脉冲发射单元、灵敏度自动控制单元相连，计时及处理模块通过对高速时钟信号计数来实现测距时间计量，计时及处理模块输出PWM控制信号对接收灵敏度进行控制。
6.根据权利要求3所述的激光测距装置，其特征在于，所述高速开关回路采用了低压降、低内阻的高速功率场效应管作为纳秒开关元件。
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