基于无人驾驶的车载激光雷达及人眼安全思考

高端勤睿

阜阳师范大学第二附属中学 安徽 阜阳 236000

引言

随着计算机性能的不断提高和激光测距技术的发展，无人驾驶技术已经不再是科幻片中遥不可及的梦想，它已经走进了我们的生活。例如谷歌公司研发的全自动驾驶汽车Google Driverless Car，通过照相机、雷达感应器和激光测距机来监测交通状况，使用详细

地图导航，不需要驾驶者就可以实现启动、行驶和停止。该项目目前正在测试，已驾驶了48万公里。虽然无人驾驶会给我们带来很多便利，但一项新技术能否真正应用到社会，还要考虑它是否足够安全可靠。无人驾驶技术实现极为关键的一环是精准测距，通过测距来监测交通状况，从而使无人驾驶车辆迅速有效地做出反应。众所周知激光功率越大，相应的测距精度也会越高。但是强度较大的激光也会对人的眼睛造成伤害，在保证人眼安全的前提下如何保证精度就成为了一项十分有意义的课题。

1 两种测距方法的模型和原理

激光测距的基本原理和超声波等测距方法相同，都是通过测量发射脉冲和接收到的回波脉冲之间的时间差来进行测距。目前的测距方法中最被看好的就是激光测距，因为激光准直性好，强度高，速度快，受极端天气的影响较小，目前主流的车载激光测距方法有两种：飞行时间测距（TOF）、相位式测距（QPD）。

2 飞行时间测距（TOF）模型和原理

飞行时间测距方法的原理是：由计算机控制激光器（laser）产生一个高斯型脉冲发射出去，发射出去的激光碰到障碍物会被反射回来，然后光电转换器（APD）接收到反射回来的回波脉冲，计算机对信号进行采样分析，计算出从发出脉冲到收到回波脉冲所用的时间 t， 从而计算出激光器到障碍物的距离。原理图如下：

可以根据发射信号和接收信号计算出相应的时间差 t，计算出激光器到障碍物的距离 d：

d = c*t / 2 （c 为激光的速度）

（障碍物离激光器的距离一般来说不能超过max = c*T/2，否则无法将回波脉冲与发射激光脉冲一一对应。）

3 相位式测距（QPD）方法

相位式测距（QPD）方法的模型图和飞行时间（TOF）测距方法相同，它们的区别在于发射的激光脉冲不再是单一的高斯脉冲，而是连续的正弦型激光脉冲（可以通过波形发生器（AWG）来控制所需要的激光波形），相位式测距方法通过计算出发射信号和接收信号的相位差来计算障碍物的距离。

通过对发射信号和接收到的回波脉冲的实时采样可以得到它们各自的波形图（三角函数型），对采样的数据进行 FFT 变换（从时域信号变换到频域），反解出相应的相位差φ。然后（一般来说 N=0，即测距最大值不能超过一个周期，f为发射的激光脉冲的频率）

可以求出距离 d：

d=c*（φ+2*πN）/（4*π*f）

4 两种测距方法的比较分析

目前飞行时间测距（TOF）和相位式测距（QPD）是最主流的测距方法，也有很多基于这两种方法设计出来的激光测距仪器。但是很多时候对于这两种测距方法的划分，以及各自的优势和劣势并不能找到专门的文献说明。通过查阅资料和浏览最新发表的论文，我对这两种方法各自的特点和优劣有了更清晰的认识。

汇总表格如下：

飞行时间测距（TOF） 相位式测距（QPD）1、由于发射的是连续的正弦信号，易于多次测量取平均值减小误差2、在近距离测量时精度更高1、对发射的激光脉冲要求较高（要足1、在进行远距离测量时，所需要的发够窄），只有在满足脉冲宽度远小于射功率远大于 TOF 的方法，在人眼安发射信号和接收信号的时间间隔下，全的限制下，远距离测量较难实现劣势 才能保证精度，在近距离测量时效果2、测量距离还受限于发射激光的频不佳率，当测量距离超过一个周期对应的1、原理简单明了，设计方便2、在远距离测量（>300m）时优势明显，响应速度快，效率更高优势2、激光束在传播和反射时有较大的最大距离时测量会出现问题衰减，同样对激光功率要求较高

基于两种方法测距的优势和劣势对比，以及目前市面上的车载激光雷达都是基于单一的测距方法，我们可以尝试去研发一种两种测距方式相结合的车载激光雷达。通过设置一个阈值，在阈值之下，采用 QPD 的测距方法，当超过阈值的时候，转换到 TOF 的测距方法，或许这是一个解决目前车载激光雷达困境的一个方法。

5 对于人眼安全的分析

由上面的分析我们可以知道：两种方式的激光测距方法要达到最大测量距离和测量精度都需要发射较大能量和较窄脉冲宽度的激光。但是我们不能盲目追求性能而忽视安全：当激光强度达到一定阈值的时候会对人眼造成不可逆转的伤害。下面就激光雷达的人眼安全方面进行分析。

6 激光对人眼的损伤情况

我们知道，人的眼睛近似球形，主要结构有瞳孔、虹膜、晶状体和视网膜等。

但眼睛和人体的脏器的不同之处在于没有皮肤角质的保护，极易受到光和其他环境因素的影响。一旦射入眼睛中的激光强度过高，穿透了眼睛的前方组织照射到视网膜上，就会造成视网膜灼伤，出现视力急剧下降甚至失明的情况。照射眼睛的光能量越大、角度越小，对眼睛造成的损伤也就越大。由于激光具有单色性、准直性高、高度相干的特点，这就使得激光比普通的光更容易汇聚成一点，更容易对人眼造成更大的伤害。同时研究发现，不同波段的激光对人眼的伤害程度也有区别。

波长 波长范围（nm） 主要损伤部位紫外激光 180——400 角膜可见激光 400——700 晶状体、视网膜近红外激光 700——1400 晶状体、视网膜中、远红外激光 1400——10600 及以上 角膜

虽然眼睛对光是很敏感的，但激光雷达所用的激光都在不可见的波段，会在无形中对我们的眼睛造成伤害。所以在设计制造激光雷达的时候，不能为了追求性能就盲目增大发射激光的频率，人眼安全是一条不可逾越的红线。

7 车载激光雷达的人眼安全

美国国家激光安全标准 Z136.1（2000）规定了从事激光操作的工作人员的个人最大允许辐射量MPE，我国的国家标准 GB7247.1-2001 也对激光辐射的安全标准作了规定。但这

些标准主要针对的是激光从业人员和可能经常接触激光的人员。到目前为止由于无人驾驶的技术还不够成熟，关于激光雷达的人眼安全标准还没有出现，在很多情况下都是由开发人员或者科技公司自己来把控，这就存在一定的潜在风险。在一般情况下，人眼所能承受的激光功率仅为 0.4mW，但激光对人眼的损害，发射功率不是关键，功率密度才是。由于激光有发散和衰减的特性，即使激光器的发射功率为 1000mW，在进行几公里远的测距时，它已经发散成为了几米大的光斑，在人眼所对应的面积（人的眼球直径大概 12mm）上的功率远小于0.4mW。但如果激光器距离人眼只有几米，即使是输出功率小于 10mW 的激光器在几米内形成的光斑的功率密度也很大，在人眼对应的面积上产生的光功率也远大于 0.4mW，会对人眼造成不可逆的伤害。与传统的激光相关行业不同，由于车载激光雷达的可移动特性，激光器离人眼的距离存在不可控的情况（有时可能仅有几米），所以车载激光雷达更需要制定严格的标准来保证人眼安全。在制定相关标准的时候，要严格考虑到极限条件（即从激光器到车身边缘距离）下发射出的激光也不能对人眼造成损害。无人驾驶是汽车行业的发展趋势，只有在起步的时候把隐患消除，无人驾驶技术才能走的更远，才能成为真正有益于社会发展的技术。

8 总结与展望

目前车载激光雷达的测距方法主要基于飞行时间测距（TOF）和相位式测距（QPD），但还没有实现 1000m 左右的高精度的车载激光雷达。目前国外关于无人驾驶的相关研究已经走在了我们前面，激光雷达方面的技术储备也要远多于国内。以后如果具备实验条件，我可能会去研发两种测距方法结合的车载激光雷达，希望未来我能为国内车载激光雷达的发展做出一些贡献。同时，我也希望国内能有专业的机构和团队帮助政府尽早设立车载激光雷达的标准，规范国内激光雷达的研究和发展现状，促进车载激光雷达产业的健康发展。