车载激光雷达到底安不安全?

描述

 

激光雷达(LiDAR)作为智能驾驶系统的核心传感器,其三维环境重建能力为车辆提供了丰富而精确的环境信息,主动发光,不受黑夜光照条件影响的特性,有效地补充了摄像头和毫米波雷达的不足,使得智能驾驶系统更加安全和可靠。激光雷达已经逐渐成为高阶智能驾驶系统的必备配置,越来越多地被应用到汽车智能驾驶系统的硬件中。

01 你可能会问,激光雷达安全吗?    

然而,随着激光雷达技术的广泛应用,人们也开始对其是否安全产生一丝担忧。当我们提到“激光”这个词时,很多人可能会想到科幻电影中的高科技武器。而将“激光”与“雷达”结合在一起而形成“激光雷达”时,其产生的激光线束,会不会对我们的眼睛造成伤害呢?

02 国际标准如何定义激光产品    

首先,我们来看下权威的国际电工委员会标准(IEC 60825-1:2014),对激光产品是如何定义的?激光器的危险等级被划分为四类:Class 1激光器无害,Class 4激光器具有高危险性,Class 2和3激光器分别具有低和中度危险性。车载激光雷达属于Class 1激光产品,其功率和辐射强度远低于对人体眼睛造成伤害的阈值。

因此,在正常使用条件下,车载激光雷达不会对人眼构成威胁。或者说市面上能量产的车载激光雷达产品,都需要满足Class 1级别标准。“Class 1”就像是一张激光雷达的“身份证”,有了这张“身份证”,车载激光雷达才能算合格产品。  

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03 技术原理解读激光雷达安全性    

再者,从技术原理来看下这个问题。人眼是否受到伤害,主要取决于激光发出的能量密度是否超过人眼可接受的阈值。

能量密度:看的是“单脉冲的瞬时照射能量”和“持续长时间照射后的单位面积内的平均累积能量”。首先,单脉冲的瞬时能量,可以通过严格控制激光雷达的发射功率来保障,限制其不超出标准要求阈值;其次,当前市面上主流的车载激光雷达,都是扫描式雷达,以线扫雷达举例,每次发射一条激光线束,覆盖其中某一个位置,借助于转镜的转动,把激光束从左扫到右,从而覆盖一个120°的完整画幅,可以参考下图所示,这确保了激光雷达不会一直“盯”着你的眼睛照射,单位面积内的累积能量同样限定在阈值以内。

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非扫描式(上) vs 扫描式激光雷达(下)示意图

再来看下人眼的生理构造,人眼主要包含角膜,晶状体和视网膜组成。当激光束进入人眼后,不同波长表现会有些许不同。市面上当前主流车载激光雷达主要在905nm波长的近红外光波段,少数激光雷达为1550nm的远红外光。当905nm的激光束进入人眼后,会被角膜和晶状体吸收大部分能量,小部分透射到视网膜上,而1550nm的激光束,几乎会被角膜和晶状体全部吸收,极少会到视网膜上,所以网上就有了1550nm激光雷达比905nm更安全的说法。

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但实际上,基于上文描述,激光雷达的能量只要控制在人眼可接受的阈值内都是安全的,不存在谁比谁更安全的说法。诚然1550nm比905nm在人眼安全的功率上限更高些,但如果1550nm的激光器的能量超过法规限制范围,那么它同样会损伤人眼的角膜和晶状体。同理,905nm如果能量超了,也会伤害视网膜。

04 还有疑虑?再看看实验结果怎么说    

最后,再从国际标准测试下的数据来量化看下这个问题,如下测试实验装置中,接收孔径模拟人眼瞳孔,正常情况下,瞳孔直径为2.5~4mm,遇到强光会收缩,暗室环境瞳孔会放大到5~7mm,本测试采用7mm孔径模拟瞳孔张开能达到的极限场景(即最大通光量),测试距离也是采取最严苛的100mm~1m的距离范围内进行全量测试,随着距离的增加,激光束能量会快速衰减。100mm是人眼能聚焦的最短距离,再近就无法在视网膜成像。

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基于如上苛刻的测试场景评估,激光束进入人眼的效率只有1%左右,再被眼球中的水大量吸收,到达视网膜的能量,通常只有人眼损伤阈值的20%左右。值得一提的是,IEC60825-1标准也同时考虑了皮肤安全,经过实验测算,当前激光雷达的能量才到安全阈值的1%。所以,通过人眼安全Class 1严格认证的车载激光雷达产品,对人眼和皮肤都是没有危害的

05 多激光雷达环境的安全性问题    

最后,再探讨下多激光雷达环境的安全性问题。随着智能驾驶技术的不断进步,越来越多的车辆开始采用激光雷达来提高感知能力。有小伙伴开始担心,满大街的都是装激光雷达的车,是否以后门都不敢出了,这种多激光雷达环境是否会对人眼安全产生新的影响呢?

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目前来看,最恶劣的场景莫过于大路口并排多车等红绿灯,行人从斑马线穿过的场景,并排4~5车道已经是非常大的主干道,激光雷达的数量并不会无限增加,如上图示意。

分析多激光雷达对人眼的影响,主要从三方面考虑:交叠区距离,汇聚概率,汇聚时长。

1.交叠区距离:

基于几何原理,多台激光雷达要形成交叠区,数量越多,交叠区离雷达的距离越远,从上图所示,4台激光雷达光束交叠区最近距离为行人所处位置,分别离4台激光雷达的距离为(6米,3.5米,3.5米,6米),能量随距离快速衰减,经过测算,距离到达6米后,到达视网膜的能量快速衰减到人眼损伤阈值的1%以内,路口二排三排的车几乎可以忽略不计,空间角度上就大幅抵消了多激光雷达的能量累积;

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2.汇聚概率:

基于上文的原理分析,激光雷达采用的是扫描方式,要让多台激光雷达在同一时间汇聚到7mm孔径的瞳孔上的概率微乎其微,经过测算,这个概率是亿分之一的量级;

3.汇聚时长:

即使T1时刻,4台激光雷达非常凑巧汇聚到一点上了,T2时刻,随着激光雷达转过一定角度后,光束便无法再汇聚在瞳孔上,从时间角度避免能力累积。

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综上所述,不管单激光雷达,还是多激光雷达,其发射出的激光束在正常使用条件下,不会对人眼构成实质性的威胁。国际标准如IEC 60825-1的制定和执行,以及激光雷达制造商对产品安全的严格把控,都为人眼安全提供了坚实的保障。激光雷达作为智能驾驶的核心技术,正在发挥越来越大的作用。从网上视频可以看到,装载了激光雷达的高阶智能驾驶系统所提供的主动安全AEB制动能力,大幅降低突发的碰撞风险,正在避免一次又一次的交通事故。




审核编辑:刘清

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