高端勤睿

阜陽師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 安徽 阜陽 236000

引言

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和激光測距技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)已經(jīng)不再是科幻片中遙不可及的夢想，它已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活。例如谷歌公司研發(fā)的全自動(dòng)駕駛汽車Google Driverless Car，通過照相機(jī)、雷達(dá)感應(yīng)器和激光測距機(jī)來監(jiān)測交通狀況，使用詳細(xì)

地圖導(dǎo)航，不需要駕駛者就可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、行駛和停止。該項(xiàng)目目前正在測試，已駕駛了48萬公里。雖然無人駕駛會(huì)給我們帶來很多便利，但一項(xiàng)新技術(shù)能否真正應(yīng)用到社會(huì)，還要考慮它是否足夠安全可靠。無人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)極為關(guān)鍵的一環(huán)是精準(zhǔn)測距，通過測距來監(jiān)測交通狀況，從而使無人駕駛車輛迅速有效地做出反應(yīng)。眾所周知激光功率越大，相應(yīng)的測距精度也會(huì)越高。但是強(qiáng)度較大的激光也會(huì)對(duì)人的眼睛造成傷害，在保證人眼安全的前提下如何保證精度就成為了一項(xiàng)十分有意義的課題。

1 兩種測距方法的模型和原理

激光測距的基本原理和超聲波等測距方法相同，都是通過測量發(fā)射脈沖和接收到的回波脈沖之間的時(shí)間差來進(jìn)行測距。目前的測距方法中最被看好的就是激光測距，因?yàn)榧す鉁?zhǔn)直性好，強(qiáng)度高，速度快，受極端天氣的影響較小，目前主流的車載激光測距方法有兩種：飛行時(shí)間測距（TOF）、相位式測距（QPD）。

2 飛行時(shí)間測距（TOF）模型和原理

飛行時(shí)間測距方法的原理是：由計(jì)算機(jī)控制激光器（laser）產(chǎn)生一個(gè)高斯型脈沖發(fā)射出去，發(fā)射出去的激光碰到障礙物會(huì)被反射回來，然后光電轉(zhuǎn)換器（APD）接收到反射回來的回波脈沖，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣分析，計(jì)算出從發(fā)出脈沖到收到回波脈沖所用的時(shí)間 t， 從而計(jì)算出激光器到障礙物的距離。原理圖如下：

可以根據(jù)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的時(shí)間差 t，計(jì)算出激光器到障礙物的距離 d：

d = c*t / 2 （c 為激光的速度）

（障礙物離激光器的距離一般來說不能超過max = c*T/2，否則無法將回波脈沖與發(fā)射激光脈沖一一對(duì)應(yīng)。）

3 相位式測距（QPD）方法

相位式測距（QPD）方法的模型圖和飛行時(shí)間（TOF）測距方法相同，它們的區(qū)別在于發(fā)射的激光脈沖不再是單一的高斯脈沖，而是連續(xù)的正弦型激光脈沖（可以通過波形發(fā)生器（AWG）來控制所需要的激光波形），相位式測距方法通過計(jì)算出發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的相位差來計(jì)算障礙物的距離。

通過對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波脈沖的實(shí)時(shí)采樣可以得到它們各自的波形圖（三角函數(shù)型），對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT 變換（從時(shí)域信號(hào)變換到頻域），反解出相應(yīng)的相位差φ。然后（一般來說 N=0，即測距最大值不能超過一個(gè)周期，f為發(fā)射的激光脈沖的頻率）

可以求出距離 d：

d=c*（φ+2*πN）/（4*π*f）

4 兩種測距方法的比較分析

目前飛行時(shí)間測距（TOF）和相位式測距（QPD）是最主流的測距方法，也有很多基于這兩種方法設(shè)計(jì)出來的激光測距儀器。但是很多時(shí)候?qū)τ谶@兩種測距方法的劃分，以及各自的優(yōu)勢和劣勢并不能找到專門的文獻(xiàn)說明。通過查閱資料和瀏覽最新發(fā)表的論文，我對(duì)這兩種方法各自的特點(diǎn)和優(yōu)劣有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

匯總表格如下：

飛行時(shí)間測距（TOF） 相位式測距（QPD）1、由于發(fā)射的是連續(xù)的正弦信號(hào)，易于多次測量取平均值減小誤差2、在近距離測量時(shí)精度更高1、對(duì)發(fā)射的激光脈沖要求較高（要足1、在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量時(shí)，所需要的發(fā)夠窄），只有在滿足脈沖寬度遠(yuǎn)小于射功率遠(yuǎn)大于 TOF 的方法，在人眼安發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間間隔下，全的限制下，遠(yuǎn)距離測量較難實(shí)現(xiàn)劣勢 才能保證精度，在近距離測量時(shí)效果2、測量距離還受限于發(fā)射激光的頻不佳率，當(dāng)測量距離超過一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的1、原理簡單明了，設(shè)計(jì)方便2、在遠(yuǎn)距離測量（>300m）時(shí)優(yōu)勢明顯，響應(yīng)速度快，效率更高優(yōu)勢2、激光束在傳播和反射時(shí)有較大的最大距離時(shí)測量會(huì)出現(xiàn)問題衰減，同樣對(duì)激光功率要求較高

基于兩種方法測距的優(yōu)勢和劣勢對(duì)比，以及目前市面上的車載激光雷達(dá)都是基于單一的測距方法，我們可以嘗試去研發(fā)一種兩種測距方式相結(jié)合的車載激光雷達(dá)。通過設(shè)置一個(gè)閾值，在閾值之下，采用 QPD 的測距方法，當(dāng)超過閾值的時(shí)候，轉(zhuǎn)換到 TOF 的測距方法，或許這是一個(gè)解決目前車載激光雷達(dá)困境的一個(gè)方法。

5 對(duì)于人眼安全的分析

由上面的分析我們可以知道：兩種方式的激光測距方法要達(dá)到最大測量距離和測量精度都需要發(fā)射較大能量和較窄脈沖寬度的激光。但是我們不能盲目追求性能而忽視安全：當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到一定閾值的時(shí)候會(huì)對(duì)人眼造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。下面就激光雷達(dá)的人眼安全方面進(jìn)行分析。

6 激光對(duì)人眼的損傷情況

我們知道，人的眼睛近似球形，主要結(jié)構(gòu)有瞳孔、虹膜、晶狀體和視網(wǎng)膜等。

但眼睛和人體的臟器的不同之處在于沒有皮膚角質(zhì)的保護(hù)，極易受到光和其他環(huán)境因素的影響。一旦射入眼睛中的激光強(qiáng)度過高，穿透了眼睛的前方組織照射到視網(wǎng)膜上，就會(huì)造成視網(wǎng)膜灼傷，出現(xiàn)視力急劇下降甚至失明的情況。照射眼睛的光能量越大、角度越小，對(duì)眼睛造成的損傷也就越大。由于激光具有單色性、準(zhǔn)直性高、高度相干的特點(diǎn)，這就使得激光比普通的光更容易匯聚成一點(diǎn)，更容易對(duì)人眼造成更大的傷害。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，不同波段的激光對(duì)人眼的傷害程度也有區(qū)別。

波長 波長范圍（nm） 主要損傷部位紫外激光 180——400 角膜可見激光 400——700 晶狀體、視網(wǎng)膜近紅外激光 700——1400 晶狀體、視網(wǎng)膜中、遠(yuǎn)紅外激光 1400——10600 及以上 角膜

雖然眼睛對(duì)光是很敏感的，但激光雷達(dá)所用的激光都在不可見的波段，會(huì)在無形中對(duì)我們的眼睛造成傷害。所以在設(shè)計(jì)制造激光雷達(dá)的時(shí)候，不能為了追求性能就盲目增大發(fā)射激光的頻率，人眼安全是一條不可逾越的紅線。

7 車載激光雷達(dá)的人眼安全

美國國家激光安全標(biāo)準(zhǔn) Z136.1（2000）規(guī)定了從事激光操作的工作人員的個(gè)人最大允許輻射量MPE，我國的國家標(biāo)準(zhǔn) GB7247.1-2001 也對(duì)激光輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定。但這

些標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的是激光從業(yè)人員和可能經(jīng)常接觸激光的人員。到目前為止由于無人駕駛的技術(shù)還不夠成熟，關(guān)于激光雷達(dá)的人眼安全標(biāo)準(zhǔn)還沒有出現(xiàn)，在很多情況下都是由開發(fā)人員或者科技公司自己來把控，這就存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在一般情況下，人眼所能承受的激光功率僅為 0.4mW，但激光對(duì)人眼的損害，發(fā)射功率不是關(guān)鍵，功率密度才是。由于激光有發(fā)散和衰減的特性，即使激光器的發(fā)射功率為 1000mW，在進(jìn)行幾公里遠(yuǎn)的測距時(shí)，它已經(jīng)發(fā)散成為了幾米大的光斑，在人眼所對(duì)應(yīng)的面積（人的眼球直徑大概 12mm）上的功率遠(yuǎn)小于0.4mW。但如果激光器距離人眼只有幾米，即使是輸出功率小于 10mW 的激光器在幾米內(nèi)形成的光斑的功率密度也很大，在人眼對(duì)應(yīng)的面積上產(chǎn)生的光功率也遠(yuǎn)大于 0.4mW，會(huì)對(duì)人眼造成不可逆的傷害。與傳統(tǒng)的激光相關(guān)行業(yè)不同，由于車載激光雷達(dá)的可移動(dòng)特性，激光器離人眼的距離存在不可控的情況（有時(shí)可能僅有幾米），所以車載激光雷達(dá)更需要制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來保證人眼安全。在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，要嚴(yán)格考慮到極限條件（即從激光器到車身邊緣距離）下發(fā)射出的激光也不能對(duì)人眼造成損害。無人駕駛是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，只有在起步的時(shí)候把隱患消除，無人駕駛技術(shù)才能走的更遠(yuǎn)，才能成為真正有益于社會(huì)發(fā)展的技術(shù)。

8 總結(jié)與展望

目前車載激光雷達(dá)的測距方法主要基于飛行時(shí)間測距（TOF）和相位式測距（QPD），但還沒有實(shí)現(xiàn) 1000m 左右的高精度的車載激光雷達(dá)。目前國外關(guān)于無人駕駛的相關(guān)研究已經(jīng)走在了我們前面，激光雷達(dá)方面的技術(shù)儲(chǔ)備也要遠(yuǎn)多于國內(nèi)。以后如果具備實(shí)驗(yàn)條件，我可能會(huì)去研發(fā)兩種測距方法結(jié)合的車載激光雷達(dá)，希望未來我能為國內(nèi)車載激光雷達(dá)的發(fā)展做出一些貢獻(xiàn)。同時(shí)，我也希望國內(nèi)能有專業(yè)的機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)幫助政府盡早設(shè)立車載激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范國內(nèi)激光雷達(dá)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，促進(jìn)車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。