激光雷達人眼安全認證

        激光雷達作為目前精度最高的傳感器，是實現自動駕駛技術的關鍵。在各個國家地區紛紛出臺相關法律法規及政策支持汽車智能化落地的背景下，激光雷達整體市場預計將呈現高速發展的態勢。

激光雷達（LiDAR）是激光探測和激光測距系統的簡稱，由發射系統、接收系統、信息處理系統和掃描系統組成，是一種可以用于進行環境探測、數據處理和傳輸的智能傳感器。按照功能用途、激光發射波形等不同標準，可以分為多種不同類型。

工作原理是以激光作為信號源，通過發射與接收激光來探測與目標物之間的距離，再根據目標物表面的反射能量大小、反射波譜幅度、頻率和相位等信息，精確繪制出目標物體的三維結構信息。

中國要求：目前激光人眼安全在國內沒有強制性認證要求，但有強制性標準GB 7247.1，國內上市激光產品需滿足激光人眼安全要求。需要注意的是GB 7247.1采標IEC 60825-1。

美國要求：激光產品進入美國需要滿足FDA輻射放射的要求。除了限值激光產品的設計和結構上滿足人眼激光安全要求。制造商還要能保證良好生產規范使得批量產品持續滿足要求。FDA通過產品型式試驗+企業質量控制系統要求的方式，要求制造商進行首次報告和年度報告。測試標準可以為21 CFR 1040.10，也可以為IEC 60825-1+Notice 56差異。

其他國家：國際上包括歐洲和其他主要地區均可采用IEC 60825-1（但須注意歐盟EN 60825-1有A11增補，以及需要考慮消費類激光要求EN 50689）。

共同要求：由于激光雷達大多采用905nm和1550nm，均為不可見紅外激光，發射過程中不易被用戶察覺，并工作場景均為需向外界發射激光輻射，所以均需滿足一類激光（Class 1）激光人眼安全要求。

        1、 波長：不同波長對應AEL，對于采用加熱等方式穩定中心波長的激光雷達，應按制造商的說明，將激光雷達穩定在指定的工作條件下。若激光雷達發射兩個或兩個以上的波長：a) 且波長落在表17 所示的有效疊加效應光譜范圍內，則各波長的AE與對應的AEL之比的總和不應超過1；b) 各波長之間沒有表17所示的疊加效應，則各波長AE值不應超過對應的AEL 限值。

        2、對象角：將激光光束成像在探測器平面上，如圖所示。改變成像距離，使探測器上能接受的輻射分布具有最小的直徑dsi。

對向角通過公式計算獲得：α=dsi/ri

α——對向角（mrad）；dsi ——最小的像直徑（mm）；ri ——為像距（m）

對于非圓形的輻射分布，應測量兩個正交方向上的對向角的平均值；

對于矩形輻射分布，應取長和寬所對應的兩個對向角；

對于橢圓形輻射分布，應取長軸和短軸對應的兩個對向角。

即使是規則的脈沖串，對向角在時間上和空間上有可能發生變化：例如,光束橫截面部分出現在接受角內，部分出現在接受角外；或估持續時間T結束時刻接收到部分脈沖寬度。對于復雜的不規則的脈沖輻射分布，如不規則脈沖串，則應測量單個脈沖在整個時間基準內的對向角變化。    此外，對于非均勻的、非圓形的或多個表觀光源而言，為了確保考慮到每個可能的對向角所對應的AE和AEL，應按表觀光源的組合或部分區域，并改變接受角γth，以確定對應的組合或部分的AE和相應的AEL，并找到最嚴苛對向角，即AE/AEL比值最大。

3、脈沖時域特性：a) 脈沖持續時間(Tp)脈沖持續時間又稱為脈沖寬度。用光敏探測器和示波器組成的測量設備或類似設備測量脈沖前沿半功率點和后沿相應點之間的持續時間。當Tp大于0.25s時，認為該激光雷達為連續波。當Tp小于等于0.25s時，輻射測量時應測量單個脈沖輻射能量和脈沖串的平均輻射功率。

b)脈沖重復頻率(PRF)采用光敏探測器和示波器組成的測量設備或類似測量設備測量脈沖重復頻率。c) 脈沖串中的脈沖數(N)即脈沖串在所評估持續時間T內的有效脈沖數。評估時需考慮的發射持續時間T為T2或tbase中較短的一個；如果Ti時長內出現多個脈沖，則N只計一個脈沖。（Ti時長內各脈沖的能量累積值與AELTi比較）。

        1、時間參數a) 時間基準tbase使用過程中不存在有意識的長時間觀察，tbase為100s。b) 脈沖串持續時間T的時長下限與波長相關，如下表。

     2、輻射測量參考點

        對于掃描發射的激光雷達，輻射測量參考點應為掃描光束的中心點。如果參考點在保護罩內（即不可接觸）距人員接觸最近點（CPHA）的距離遠于表19中規定的測量距離，則測量必須在人員接觸最近點（CPHA）之外進行。

        3、輻射測量孔徑和測量距離

        眼睛危害測量孔徑直徑和測量距離如下表

        皮膚危害測量孔徑直徑和測量距離如下表

        4、對向角極限與極限接受角γth

        a) 對向角極限：

        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) 輻射測量時，應限制接受孔徑大小，其極限值即極限接受角γth應符合下述要求：

        1）當α> αmax 時，γth = αmax；

        2）當α≤αmax 時，對于780 nm~1400nm 輻射波長，且包含多個脈沖輻射時，根據本章節輻射測試要求，分別根據測量單個脈沖點或多個脈沖點的對向角值來限制合適的γth，且應確保γth 滿足αmin ≤γth ≤αmax。

注：參考a)中的對向角極限，αmax是發射持續時長t的函數，因此γth也是發射持續時長t 的函數。

    1、脈沖工作模式的AE：

 a) 單個脈沖的平均功率/能量（AEsingle）；

 b) 持續時長為T的脈沖串的平均功率/能量（AET）。對于不規律的變化脈沖，T以Ti為時長下限，以tbase為時長上限，應在整個T范圍內獲得對應不同時長的平均功率/能量；對于規律變化的脈沖，T為tbase，則AET為T時長上的平均功率/能量。

 2、連續波工作模式的平均功率/能量（AET）：若功率隨時間變化，則應在整個tbase范圍內獲得對應不同時長的平均功率/能量；若功率保持不變，則AET為tbase時長上的平均功率/能量。

    3、皮膚危害平均輻射度/輻照量值

    若功率隨時間變化，則應在整個tbase范圍內獲得對應不同時長的平均功率/能量；

    若功率保持不變，則給出tbase時長上的平均功率/能量。

    將測得的平均功率/能量轉化為孔徑光闌尺寸上的平均輻照度/輻照量。

    AE測量值應小于class 1的AEL。

    1、脈沖工作模式的AEL

    a) 分別計算下述的AEL，并取其中最嚴苛的值作為單個脈沖的AEL：

    1） AELsingle；

    2） AELs.p.T；

    對于以J或J?m-2為單位的AELT，AELs.p.T = AELT/N；

    對于以W或W?m-2為單位的AELT，AELs.p.T = AELT/PRF。

    3）AELs.p.train；

    僅適用于波長范圍為780 nm-1400nm的激光雷達。

    計算公式：AELs.p.train = AELsingle * C5；其中C5與脈沖數N相關。

    計算N時使用的t參數即T2或tbase中較小的一個。若在Ti時長內出現了多個脈沖，則將單個脈沖持續時間更改為Ti，并計算新的AELsingle。

    計算N時使用的PRF應按上述修正，將新的AELsingle的值除以時間Ti中包含的原始脈沖個數得到最終的AELsingle，再將最終的AELsingle代入AELs.p.train的計算公式。

    b) 時長為T的脈沖串的AELT：

    對于不規律的變化脈沖，T以Ti為時長下限，以tbase為時長上限，應在整個T范圍內獲得對應不同時長的AELT；對于規律變化的脈沖，AELT是在tbase時長上的平均功率。

    2、連續波工作模式的AEL_T

    a) C6=1時的AEL見下表

    b) 擴展源的AEL見下表

    3、激光雷達輻射皮膚的MPE 極限值見下表

由于905nm 更接近可見光，視網膜對其更敏感，同時液態水對其吸收也更少，因此這種光線更容易直達視網膜。相比而言，1550nm 容易被水吸收，因此在抵達視網膜之前已經被玻璃體等前部結構進行一輪吸收，抵達視網膜的較少。同時1550nm 光折射率更大，即便是抵達視網膜，也不容易聚焦成很小的光點，能量相對分散，進一步減小了損傷。

基于以上原因，在連續波情況下，1550nm 激光的人眼安全功率達到905nm 的10 倍，如果是瞬間發光則倍數更多，如果發光控制在納秒級別（激光雷達通常一個脈沖只有幾個納秒），那么1550nm 激光人眼允許的強度可以更高。