激光雷达人眼安全认证

        激光雷达作为目前精度最高的传感器，是实现自动驾驶技术的关键。在各个国家地区纷纷出台相关法律法规及政策支持汽车智能化落地的背景下，激光雷达整体市场预计将呈现高速发展的态势。

激光雷达（LiDAR）是激光探测和激光测距系统的简称，由发射系统、接收系统、信息处理系统和扫描系统组成，是一种可以用于进行环境探测、数据处理和传输的智能传感器。按照功能用途、激光发射波形等不同标准，可以分为多种不同类型。

工作原理是以激光作为信号源，通过发射与接收激光来探测与目标物之间的距离，再根据目标物表面的反射能量大小、反射波谱幅度、频率和相位等信息，精确绘制出目标物体的三维结构信息。

中国要求：目前激光人眼安全在国内没有强制性认证要求，但有强制性标准GB 7247.1，国内上市激光产品需满足激光人眼安全要求。需要注意的是GB 7247.1采标IEC 60825-1。

美国要求：激光产品进入美国需要满足FDA辐射放射的要求。除了限值激光产品的设计和结构上满足人眼激光安全要求。制造商还要能保证良好生产规范使得批量产品持续满足要求。FDA通过产品型式试验+企业质量控制系统要求的方式，要求制造商进行首次报告和年度报告。测试标准可以为21 CFR 1040.10，也可以为IEC 60825-1+Notice 56差异。

其他国家：国际上包括欧洲和其他主要地区均可采用IEC 60825-1（但须注意欧盟EN 60825-1有A11增补，以及需要考虑消费类激光要求EN 50689）。

共同要求：由于激光雷达大多采用905nm和1550nm，均为不可见红外激光，发射过程中不易被用户察觉，并工作场景均为需向外界发射激光辐射，所以均需满足一类激光（Class 1）激光人眼安全要求。

        1、 波长：不同波长对应AEL，对于采用加热等方式稳定中心波长的激光雷达，应按制造商的说明，将激光雷达稳定在指定的工作条件下。若激光雷达发射两个或两个以上的波长：a) 且波长落在表17 所示的有效叠加效应光谱范围内，则各波长的AE与对应的AEL之比的总和不应超过1；b) 各波长之间没有表17所示的叠加效应，则各波长AE值不应超过对应的AEL 限值。

        2、对象角：将激光光束成像在探测器平面上，如图所示。改变成像距离，使探测器上能接受的辐射分布具有最小的直径dsi。

对向角通过公式计算获得：α=dsi/ri

α——对向角（mrad）；dsi ——最小的像直径（mm）；ri ——为像距（m）

对于非圆形的辐射分布，应测量两个正交方向上的对向角的平均值；

对于矩形辐射分布，应取长和宽所对应的两个对向角；

对于椭圆形辐射分布，应取长轴和短轴对应的两个对向角。

即使是规则的脉冲串，对向角在时间上和空间上有可能发生变化：例如,光束横截面部分出现在接受角内，部分出现在接受角外；或估持续时间T结束时刻接收到部分脉冲宽度。对于复杂的不规则的脉冲辐射分布，如不规则脉冲串，则应测量单个脉冲在整个时间基准内的对向角变化。    此外，对于非均匀的、非圆形的或多个表观光源而言，为了确保考虑到每个可能的对向角所对应的AE和AEL，应按表观光源的组合或部分区域，并改变接受角γth，以确定对应的组合或部分的AE和相应的AEL，并找到最严苛对向角，即AE/AEL比值最大。

3、脉冲时域特性：a) 脉冲持续时间(Tp)脉冲持续时间又称为脉冲宽度。用光敏探测器和示波器组成的测量设备或类似设备测量脉冲前沿半功率点和后沿相应点之间的持续时间。当Tp大于0.25s时，认为该激光雷达为连续波。当Tp小于等于0.25s时，辐射测量时应测量单个脉冲辐射能量和脉冲串的平均辐射功率。

b)脉冲重复频率(PRF)采用光敏探测器和示波器组成的测量设备或类似测量设备测量脉冲重复频率。c) 脉冲串中的脉冲数(N)即脉冲串在所评估持续时间T内的有效脉冲数。评估时需考虑的发射持续时间T为T2或tbase中较短的一个；如果Ti时长内出现多个脉冲，则N只计一个脉冲。（Ti时长内各脉冲的能量累积值与AELTi比较）。

        1、时间参数a) 时间基准tbase使用过程中不存在有意识的长时间观察，tbase为100s。b) 脉冲串持续时间T的时长下限与波长相关，如下表。

     2、辐射测量参考点

        对于扫描发射的激光雷达，辐射测量参考点应为扫描光束的中心点。如果参考点在保护罩内（即不可接触）距人员接触最近点（CPHA）的距离远于表19中规定的测量距离，则测量必须在人员接触最近点（CPHA）之外进行。

        3、辐射测量孔径和测量距离

        眼睛危害测量孔径直径和测量距离如下表

        皮肤危害测量孔径直径和测量距离如下表

        4、对向角极限与极限接受角γth

        a) 对向角极限：

        1） αmin = 1.5 mrad；

        2） αmax = 5 mrad (t < 625 μs)

        = 200 t ^0.5 mrad (625 μs ≤ t ≤ 0.25 s)

        = 100 mrad (t > 0.25 s)。

        b) 辐射测量时，应限制接受孔径大小，其极限值即极限接受角γth应符合下述要求：

        1）当α> αmax 时，γth = αmax；

        2）当α≤αmax 时，对于780 nm~1400nm 辐射波长，且包含多个脉冲辐射时，根据本章节辐射测试要求，分别根据测量单个脉冲点或多个脉冲点的对向角值来限制合适的γth，且应确保γth 满足αmin ≤γth ≤αmax。

注：参考a)中的对向角极限，αmax是发射持续时长t的函数，因此γth也是发射持续时长t 的函数。

    1、脉冲工作模式的AE：

 a) 单个脉冲的平均功率/能量（AEsingle）；

 b) 持续时长为T的脉冲串的平均功率/能量（AET）。对于不规律的变化脉冲，T以Ti为时长下限，以tbase为时长上限，应在整个T范围内获得对应不同时长的平均功率/能量；对于规律变化的脉冲，T为tbase，则AET为T时长上的平均功率/能量。

 2、连续波工作模式的平均功率/能量（AET）：若功率随时间变化，则应在整个tbase范围内获得对应不同时长的平均功率/能量；若功率保持不变，则AET为tbase时长上的平均功率/能量。

    3、皮肤危害平均辐射度/辐照量值

    若功率随时间变化，则应在整个tbase范围内获得对应不同时长的平均功率/能量；

    若功率保持不变，则给出tbase时长上的平均功率/能量。

    将测得的平均功率/能量转化为孔径光阑尺寸上的平均辐照度/辐照量。

    AE测量值应小于class 1的AEL。

    1、脉冲工作模式的AEL

    a) 分别计算下述的AEL，并取其中最严苛的值作为单个脉冲的AEL：

    1） AELsingle；

    2） AELs.p.T；

    对于以J或J•m-2为单位的AELT，AELs.p.T = AELT/N；

    对于以W或W•m-2为单位的AELT，AELs.p.T = AELT/PRF。

    3）AELs.p.train；

    仅适用于波长范围为780 nm-1400nm的激光雷达。

    计算公式：AELs.p.train = AELsingle * C5；其中C5与脉冲数N相关。

    计算N时使用的t参数即T2或tbase中较小的一个。若在Ti时长内出现了多个脉冲，则将单个脉冲持续时间更改为Ti，并计算新的AELsingle。

    计算N时使用的PRF应按上述修正，将新的AELsingle的值除以时间Ti中包含的原始脉冲个数得到最终的AELsingle，再将最终的AELsingle代入AELs.p.train的计算公式。

    b) 时长为T的脉冲串的AELT：

    对于不规律的变化脉冲，T以Ti为时长下限，以tbase为时长上限，应在整个T范围内获得对应不同时长的AELT；对于规律变化的脉冲，AELT是在tbase时长上的平均功率。

    2、连续波工作模式的AEL_T

    a) C6=1时的AEL见下表

    b) 扩展源的AEL见下表

    3、激光雷达辐射皮肤的MPE 极限值见下表

由于905nm 更接近可见光，视网膜对其更敏感，同时液态水对其吸收也更少，因此这种光线更容易直达视网膜。相比而言，1550nm 容易被水吸收，因此在抵达视网膜之前已经被玻璃体等前部结构进行一轮吸收，抵达视网膜的较少。同时1550nm 光折射率更大，即便是抵达视网膜，也不容易聚焦成很小的光点，能量相对分散，进一步减小了损伤。

基于以上原因，在连续波情况下，1550nm 激光的人眼安全功率达到905nm 的10 倍，如果是瞬间发光则倍数更多，如果发光控制在纳秒级别（激光雷达通常一个脉冲只有几个纳秒），那么1550nm 激光人眼允许的强度可以更高。