深入解构车载激光雷达
導(dǎo)讀
激光雷達作為L3及以上級別智能駕駛的核心傳感器，同時也屬于汽車智能化領(lǐng)域價值量較大的增量產(chǎn)品。從2007年Velodyne推出64線激光雷達 HDL-64至2022年，產(chǎn)業(yè)經(jīng)過15年的發(fā)展，在2022年終于迎來激光雷達“真正”的量產(chǎn)元年，2022年裝車量達20萬臺以上。
文章分為五部分，從激光雷達市場情況展開，重點分析激光雷達系統(tǒng)層、零部件層，分析產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)現(xiàn)狀及機會；最后分析降本路徑、發(fā)展趨勢。
目錄
一、 激光雷達市場情況
二、 激光雷達系統(tǒng)層分析
三、 激光雷達零部件層分析
四、 激光雷達降本路徑分析
五、 激光雷達發(fā)展趨勢
一、激光雷達市場情況
（一）激光雷達上車必要性
從技術(shù)方案角度來看，激光雷達屬于推進智能駕駛到 L3級及以上的核心傳感器。
攝像頭在逆光或光影復(fù)雜的情況下視覺效果較差，毫米波雷達對靜態(tài)物體識別效果差，超聲波雷達測量距離有限且易受惡劣天氣的影響，因此單獨依靠攝像頭或毫米波雷達的方案去實現(xiàn)智能駕駛是存在缺陷的，而激光雷達可探測多數(shù)物體（含靜態(tài)物體）、探測距離相對更長（ 0-300 米）、精度高（5cm），且可構(gòu)建環(huán)境 3D 模型、實時性好，是智能駕駛 L3級及以上的核心傳感器。
? 攝像頭：屬于被動器件。優(yōu)點是分辨率高、可以探測到物體的質(zhì)地與顏色，采集信息豐富；缺點主要是攝像頭受光照、環(huán)境影響十分大，在黑夜、雨雪、大霧等能見度較低的情況下，識別率大幅降低，且由于缺乏深度信息、較難實現(xiàn)3D建模（雙目可以實現(xiàn)模糊的3D圖像，但無法應(yīng)用于自動駕駛）。因此攝像頭獲取的圖像信息將主要負責(zé)交通標志識別等領(lǐng)域。
? 毫米波雷達：屬于主動器件。優(yōu)點是屬于全天候雷達，不受惡劣天氣影響，可以探測物體的距離和速度；缺點是對橫向目標敏感度低、對小物體檢測效果不佳。在智能駕駛L2級別已廣泛應(yīng)用。
? 超聲波雷達：屬于主動器件。優(yōu)點是測距原理簡單，成本低，制作方便，短距離測量中具有優(yōu)勢，探測范圍在 0-3 米之間；缺點是傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測距。主要用于泊車系統(tǒng)、輔助剎車等。
技術(shù)脈絡(luò)上呈現(xiàn)多傳感器融合趨勢。各種傳感器原理和功能各不相同，在不同場景里發(fā)揮各自的優(yōu)勢，難以互相替代。隨著智能駕駛從L2 到 L3 級及以上不斷推進，激光雷達憑借其精度高、探測距離長、可 3D 環(huán)境建模的特性，重要性越發(fā)凸顯。
MEMS、轉(zhuǎn)鏡方案基本過車規(guī)，限制其大規(guī)模應(yīng)用主要是成本。當(dāng)前單顆前向激光雷達成本基本需要5000元。而車企對L3智能駕駛單車整套激光雷達系統(tǒng)（前雷達+角雷達）成本包容度基本在1萬元左右。
（二）激光雷達上車情況
1、分品牌看，新勢力主打智能駕駛，激光雷達上車進展最快，自主品牌對智能駕駛的布局節(jié)奏快于合資、外資品牌。
2、在車型價格上，新勢力和自主品牌搭載激光雷達的電動智能車型的價格帶位于?15-40 萬元之間，相比之下外資品牌豐田 Mirai、奔馳 S 級等車型的起售價均在 50 萬元以上。
3、單車搭載激光雷達數(shù)量逐步增加至4顆
定點激光雷達的車型中：
圖片來源：新智駕
激光雷達數(shù)量亦與采取的技術(shù)路線相關(guān)，如MEMS方案，有的視場角小，前向就需裝載2個；有的裝上較便宜的側(cè)向補盲雷達。但總體上，車企對單車激光雷達總體成本在1萬元以下。
4、激光雷達裝車量
2021年國內(nèi)激光雷達裝車量不到1萬套（數(shù)據(jù)來自高工智能汽車2022年2月發(fā)布的文章)。這1萬，預(yù)計主要的出貨量為車型測試或商用車應(yīng)用；國內(nèi)2021年有應(yīng)用激光雷達實現(xiàn)量產(chǎn)的乘用車車型僅有小鵬P5（頂配才配置激光雷達，搭載率較低）、華為極狐阿爾法S（2021年極狐全系銷量僅5000臺）。
2022年國內(nèi)車載激光雷達保守也有20-30萬臺。2021年國內(nèi)眾多新發(fā)布的車型開始上激光雷達（蔚來、小鵬、北汽極狐、上汽智己、上汽飛凡、廣汽埃安、長安阿維塔、長城沙龍、理想、高合、威馬），基本都在2022年開始量產(chǎn)。
（三）主流激光雷達廠商情況
從技術(shù)路線上，目前能上車拿到定點的基本是MEMS、轉(zhuǎn)鏡方案。
目前已拿到乘用車定點車型的激光雷達廠商主要包括國外法雷奧、大陸、Ibeo、Innoviz、Luminar，國內(nèi)速騰、禾賽、大疆覽沃、華為、圖達通。
國內(nèi)車載激光雷達廠商處于領(lǐng)先的主要是MEMS速騰聚創(chuàng)，屬于國內(nèi)top1，拿到近40個定點項目，2021年H1開始批量交付；轉(zhuǎn)鏡禾賽，代表產(chǎn)品AT128拿到超過150萬套訂單，2022年下半年大批量交付；圖達通，大客戶蔚來，2022年Q1開始交付，預(yù)計1-2年內(nèi)因蔚來ET7/ET5標配，圖達通出貨量會處于前列；大疆覽沃棱鏡方案市場接受度不高，有消息稱在開發(fā)其他方案的車載激光雷達；華為基于其整體方案，有一定的客戶基礎(chǔ)，但產(chǎn)品量產(chǎn)進展較慢，不達預(yù)期，2022年應(yīng)該可以供應(yīng)上車。
主流激光雷達一覽
圖片來源：滴水石開
（四）激光雷達競爭格局
關(guān)于未來的競爭格局：
? 從高技術(shù)壁壘、車規(guī)級大規(guī)模量產(chǎn)能力壁壘、先發(fā)優(yōu)勢三方面來看，車載激光雷達市場仍是個集中度偏高的市場。
? 從技術(shù)路線上，有行業(yè)專家認為，2022年車規(guī)級市場，轉(zhuǎn)鏡、MEMS各占40%，其他技術(shù)路線占20%。未來幾年轉(zhuǎn)鏡+MEMS仍是主流方案。
二 激光雷達系統(tǒng)層分析
激光雷達按照掃描系統(tǒng)的差異，可以分為機械式、混合固態(tài)（轉(zhuǎn)鏡式、棱鏡式、MEMS振鏡）、固態(tài)（FLASH、OPA）等。根據(jù)測距方法的差異，可以分為TOF激光雷達、FMCW激光雷達。
（一） 掃描系統(tǒng)方案分析
1、機械式方案
（1）技術(shù)原理：通過電機帶動收發(fā)和掃描模塊進行整體旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對空間水平 360°視場范圍的掃描。
（2）方案優(yōu)缺點：
a. 優(yōu)點：旋轉(zhuǎn)由電機控制，可以長時間內(nèi)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，每次掃描的速度線性，從而可以對周圍環(huán)境進行精度夠高并且清晰穩(wěn)定的360度環(huán)境重構(gòu)，技術(shù)成熟。
b. 缺點：價格高（性能的提升依靠增加收發(fā)模塊來實現(xiàn)高線束，導(dǎo)致了整套系統(tǒng)元器件成本非常高）、體積大、難以過車規(guī)（平均失效時間1000h-3000h，而汽車廠商的要求是至少13000h）、可靠性差（內(nèi)含大量可動部件，在行車環(huán)境下磨損嚴重）、可量產(chǎn)性差（工藝復(fù)雜、組裝困難）等。
（3）應(yīng)用領(lǐng)域：車載領(lǐng)域應(yīng)用主要是自動駕駛開發(fā)、Robotaxi；而在非車載領(lǐng)域，基于低線束的方案成熟、成本較低，當(dāng)前仍是主流方案。理論上，線束越高的激光雷達，成本端機械式方案越不具備優(yōu)勢。
（4）主要玩家：覆蓋機械式方案的廠商非常多，代表性廠商海外為Velodyne、Waymo、Valeo、Ouster，國內(nèi)為速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、鐳神智能、北科天繪等。
2、棱鏡方案
（1）技術(shù)原理：大疆技術(shù)路徑：采用空間激光通信領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡（或稱旋轉(zhuǎn)雙光楔）方案。激光雷達的收發(fā)模塊固定，通過電機帶動雙棱鏡進行高速旋轉(zhuǎn)。激光在通過第一個楔形棱鏡后發(fā)生第一次偏轉(zhuǎn)，通過第二個楔形棱鏡后發(fā)生第二次偏轉(zhuǎn)，只要控制兩面棱鏡的相對轉(zhuǎn)速便可以控制激光的掃描形態(tài)。產(chǎn)生不同角度的折射光線，從而實現(xiàn)FOV范圍內(nèi)更高線束的覆蓋。
大疆雙楔形棱鏡方案結(jié)構(gòu)圖
圖片來源：大疆覽沃
（2）方案優(yōu)缺點：
a. 優(yōu)點：
i. 激光收發(fā)器數(shù)量減少（覽沃定點小鵬的車規(guī)版HAP只有6組收發(fā)器，100ms積分時間里可達到等效144線效果），相對于機械式，成本相應(yīng)大幅降低。
ii. 收發(fā)模塊固定，電機只須帶動雙棱鏡旋轉(zhuǎn)即可，避免了類似傳統(tǒng)機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達的多次裝調(diào)問題，量產(chǎn)能力也相應(yīng)得到提高。
b. 缺點：
i. 點云圖是中心的位置密度特別大，而在周邊較稀疏。直接導(dǎo)致信息的收集以及成像會在邊緣的積淀，很難通過算法去補償。
ii. 每次掃描后，成像范圍不一樣，會導(dǎo)致雷達在高速移動中成像不連續(xù)，影響可靠性。
（3）棱鏡方案技術(shù)難點：是否過車規(guī)考驗的是電機。如覽沃激光雷達，用6組激光收發(fā)器實現(xiàn)等效144線的掃描效果，需要電機帶動雙棱鏡高速運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速高達6000r/min。而過車規(guī)的Scala電機轉(zhuǎn)速只有600r/min，轉(zhuǎn)鏡方案電機轉(zhuǎn)速2000r/min。電機的壽命與電機的轉(zhuǎn)速成反比，高轉(zhuǎn)速對軸承及油脂選擇大有講究，需要大量的耐久試驗及超高的工藝水準。
（4）棱鏡方案成本拆解：
根據(jù)System plus Consulting測算，光學(xué)部件（包括透鏡模組等掃描器件）的成本占比最高，達到54%，其次是主板，Livox發(fā)射和接收器件成本占比分別下降至7%和4%。
圖片來源：中金證券
（5）主要玩家：
目前棱鏡方案廠商只有大疆覽沃一家。覽沃的車規(guī)級激光雷達HAP產(chǎn)品已應(yīng)用于小鵬P5（頂配版）上。單臺激光雷達價格5000元以下（千級成本500-600美元，百萬級成本260美元），小鵬P5單車2顆激光雷達選配+1萬元。
對于棱鏡方案市場的認可度，從客戶端的反應(yīng)來看，大疆覽沃車載激光雷達拿到的定點項目當(dāng)前只有小鵬P5 一個。而小鵬G9則采用速騰聚創(chuàng)M1 MEMS激光雷達，在2022年1月小鵬亦投資了MEMS激光雷達廠商一徑科技。
從應(yīng)用來說，雙棱鏡的方案更適合靜態(tài)場景，比如掃描靜態(tài)物體、V2X、測繪、低速機器人等，在車載領(lǐng)域存在軟硬件層面的難點。據(jù)稱大疆正在開發(fā)其他非棱鏡方案的車載激光雷達。
3、轉(zhuǎn)鏡方案
（1）技術(shù)原理：保持收發(fā)模塊不動，電機帶動反射鏡面圍繞其圓心不斷旋轉(zhuǎn)，從而將激光束反射至空間的一定范圍，實現(xiàn)掃描探測，其技術(shù)創(chuàng)新方面與機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達類似。
左側(cè)是轉(zhuǎn)鏡，右側(cè)是固定的激光器
圖片來源：
在轉(zhuǎn)鏡方案中，存在一面掃描鏡（一維轉(zhuǎn)鏡）、兩面掃描鏡（一縱一橫，二維轉(zhuǎn)鏡）及多面鏡等多種細分技術(shù)路線。
??一維轉(zhuǎn)鏡：有多少線就有多少個激光發(fā)射器，意味著在做高線數(shù)產(chǎn)品時不僅成本高，而且集成難度很大，因而線數(shù)很難做高（法雷奧的Scala 1只有4線，Scala 2也只有16線，原因便在于此）。禾賽提出的方案是將發(fā)射/接收模塊集成在同個芯片上，實現(xiàn)激光收發(fā)系統(tǒng)和“線數(shù)”的一一對應(yīng)，基于此就可以基于一維轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)很高的線數(shù)。
??二維轉(zhuǎn)鏡：增加了俯仰的轉(zhuǎn)動，如此一條激光可以掃描多個平面，用數(shù)量很少的激光發(fā)射器，通過掃描鏡高速旋轉(zhuǎn)中的折射和反射來達到“多線”的效果，這樣不僅可節(jié)省激光器的成本，也可做高“線數(shù)”。
一維轉(zhuǎn)鏡打出的光束是線光束，之后左右橫移完成面掃描；而二維轉(zhuǎn)鏡完成的就是面掃描。
（2）轉(zhuǎn)鏡方案優(yōu)缺點：
a.?優(yōu)點：激光發(fā)射和接收裝置固定，仍有旋轉(zhuǎn)模塊但比較小，可以減少產(chǎn)品體積，并且降低成本；旋轉(zhuǎn)模塊只有反射鏡，重量輕，電機軸承的負荷小，系統(tǒng)運行起來更穩(wěn)定，壽命更長，符合車規(guī)。
b.?缺點：內(nèi)部有機械結(jié)構(gòu)，在長期運行之后穩(wěn)定性、準確度依然會受到影響；一維式的掃描線數(shù)少，掃描角度不能到 360 度；理論上成本下降空間有限（激光收發(fā)模組數(shù)量仍較多）。
（3）技術(shù)難點：轉(zhuǎn)鏡方案技術(shù)難點在于電機，光學(xué)系統(tǒng)控制機制和轉(zhuǎn)軸精度。電機轉(zhuǎn)速2000r/min，仍存在高溫耐久穩(wěn)定性、FOV視場角受限，信噪比低等問題。
（4）轉(zhuǎn)鏡方案成本拆解：4線轉(zhuǎn)鏡式激光雷達法雷奧Scala1成本拆分中主板占比最高，激光單元板、光學(xué)部件和激光機械部件分別占BOM成本的23%、13%和10%。各轉(zhuǎn)鏡方案的成本，總體上因存在多組激光發(fā)射器仍占據(jù)較大成本，光學(xué)部件占比比較穩(wěn)定。
圖片來源：中金證券
（5）轉(zhuǎn)鏡方案玩家：
a. 法雷奧：2017 年，奧迪 A8 為全球首款量產(chǎn)的 L3級別自動駕駛的乘用車，搭載了法雷奧和 Ibeo 聯(lián)合研發(fā)的 4 線振鏡激光雷達，累計出貨量超過10萬套。但法雷奧第三代SCALA激光雷達產(chǎn)品將會采用MEMS方案，預(yù)計2024年量產(chǎn)。
b. 圖達通：2022 年，搭載 Innovusion Falcon 激光雷達的蔚來 ET7 上市，該款激光雷達為 1550nm 方案，等效 300 線數(shù)，8光路收發(fā)，理論上可以節(jié)省一定成本，但是節(jié)省成本的程度也是有限的，不如MEMS方案。
c. 禾賽：2021年發(fā)布轉(zhuǎn)鏡激光雷達產(chǎn)品AT128，已獲得超過150萬臺意向訂單，客戶包括理想、集度、高合、路特斯等。于2022年年底大批量交付。
d. 鐳神智能：2020 年，鐳神智能自主研發(fā)的 CH32 面世，成為全球第二款獲得車規(guī)級認證的轉(zhuǎn)鏡式激光雷達，目前據(jù)稱已經(jīng)規(guī)模化交付東風(fēng)悅享（無人駕駛接駁小巴）量產(chǎn)前裝車型生產(chǎn)。
4、MEMS方案
（1）技術(shù)原理：MEMS 微陣鏡激光雷達的核心是?MEMS 微振鏡，其本質(zhì)是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件。是在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其中心是一塊鏡子的電路板，可以通過控制電流來讓中央的微鏡產(chǎn)生平動或者扭轉(zhuǎn)，也就是 X 軸和 Y 軸上的移動。由于鏡子本身可以扭轉(zhuǎn)，所以只需要 1 束激光就可以通過鏡子不同角度的反射來讓激光束發(fā)射到不同的方向，從而實現(xiàn)與機械式激光雷達相似的效果。
（2）技術(shù)方案優(yōu)缺點：
a.優(yōu)點：
i.?尺寸小、可量產(chǎn)：芯片化、無機械組件，擺脫了笨重的旋轉(zhuǎn)電機和掃描鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達的尺寸；
ii.?低成本：減少激光收發(fā)單元的數(shù)量，相比機械式極大地降低成本。如速騰M1用的是5個收發(fā)模塊。
b. 缺點：
i.?探測距離和角度有限：MEMS 的振動角度有限導(dǎo)致視場角比較小（小于 120 度），大視場角需要多子視場拼接，這對點云拼接算法和點云穩(wěn)定度要求都較高；受限于 MEMS 微振鏡的鏡面尺寸，MEMS 激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠小于機械激光雷達，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，導(dǎo)致功率進一步下降，信噪比降低，有效探測距離縮短。
ii.?穩(wěn)定性：MEMS 微鏡屬于振動敏感性器件，車載環(huán)境的振動和沖擊容易對其使用壽命和工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，硅基 MEMS 的懸臂梁結(jié)構(gòu)脆弱，外界的振動或沖擊極易直接致其斷裂。MEMS過車規(guī)的重點主要就在其振鏡的可靠性。
（3）MEMS激光雷達成本拆分：
未來降本的主要部分：來自激光器、MEMS振鏡、驅(qū)動芯片等。
a.?發(fā)射端30%：激光器占比浮動比較大，如用905/1550nm、EEL/VCSEL，都會影響成本。若用1550nm光源，成本占比會提升至50%。發(fā)射端是激光雷達重要的成本構(gòu)成；速騰、Innoviz在振鏡上面做了很多方案，Innoviz振鏡用陣列的方式。
b.?接收端20%-30%：主要包括APD/SPAD、ASIC處理芯片，主要做數(shù)模轉(zhuǎn)換，占boom成本20%。會有所浮動，可能會上升到20%-30%。MEMS 1550nm光源需搭配專用芯片，如磷化銦、銦鎵砷等特殊材料。
c. 主板：占boom成本的20%-30%，主要成本就是FPGA，用于整體架構(gòu)數(shù)據(jù)處理。
d. 外殼結(jié)構(gòu)件：10%。
e. 光學(xué)部件：包括微振鏡、透鏡，占比10%。
f. 其他：裝調(diào)和人工費用占比10%左右（機械式人工費用占比50%以上）。
（4）MEMS方案玩家：代表玩家：Innoviz、速騰聚創(chuàng)。
處于（準）車規(guī)狀態(tài)并將在 2022 年量產(chǎn)上車的 MEMS 激光雷達產(chǎn)品有速騰聚創(chuàng) M1、Innoviz One，另外 Innoviz Two 將在 2022 年進入批量生產(chǎn)，并在 2023 年服務(wù)車企。由于 MEMS 上游產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，為現(xiàn)階段的主力激光雷達產(chǎn)品之一，量產(chǎn)售價降低至1000美元以下。
5. FLASH方案
（1）技術(shù)原理：Flash 激光雷達的原理類似快閃，采用類似相機的模式，感光元件中的每個像素點都可以記錄光子飛出的時間信息，運行時直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，隨后由高靈敏度的接收器陣列計算每個像素對應(yīng)的距離信息，從而完成對周圍環(huán)境的繪制。
（2）方案優(yōu)缺點：
a. 優(yōu)點：一次性實現(xiàn)全局成像來完成探測，且無掃描器件、成像速度快。
b. 缺點：Flash 激光單點面積比掃描型激光單點大，因此其功率密度較低，進而影響到 Flash 激光雷達的探測精度和探測距離；抗干擾能力不佳，環(huán)境適應(yīng)性相對差。
（3）Flash應(yīng)用：Flash方案中短期適合于輔助雷達定位，Flash 方案激光雷達相比于機械式和 MEMS 的優(yōu)勢在于集成度、量產(chǎn)成本，而劣勢在于短期內(nèi)性能難以大幅提高，其方案本身特點較為滿足輔助雷達定位。面向的市場包括車載輔助雷達、路測智慧交通（市場起步慢）。
車載應(yīng)用案例：Outser、Ibeo。搭載3個Ibeo Next固態(tài)激光雷達的長城WEY摩卡車型預(yù)計在2022年量產(chǎn)；Ouster ES2選擇犧牲掃描角度（26°×12°）換取較遠的探測距離（200m），預(yù)計2024年實現(xiàn)批量交付。
（4）技術(shù)方案發(fā)展方向：集中在提升VCSEL激光器功率，通過SPAD、SIMP提升光子探測能力，提升探測距離。
（5）Flash方案玩家：國外包括Ouster、Ibeo；國內(nèi)：北科天繪、鐳神智能（2018年宣布與以色列NEWSIGHT公司聯(lián)合研發(fā)3D FLASH激光雷達V-Lidar）、北醒光子（應(yīng)用于AGV）、飛芯電子、洛倫茲（當(dāng)前主要應(yīng)用于物流車內(nèi)檢測場景）、亮道智能等。
結(jié)論：FLASH技術(shù)方案的成熟度依賴VCSEL激光器功率的提升以及SPAD等探測器靈敏度的提升，才能提高成為車載前雷達的可能性。
6. OPA方案
（1）技術(shù)原理：利用相干原理（類似兩圈水波相互疊加后，有的方向會相互抵消，有的會相互增強），采用多個光源組成陣列，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度，控制各光源發(fā)射的時間差，從而合成角度靈活、精密可控的主光束，實現(xiàn)對不同方向的掃描。
（2）方案優(yōu)缺點：
a. 優(yōu)點：集成度高，信噪比低；相比MEMS，OPA完全取消機械結(jié)構(gòu)，體積更小，對溫度和振動的適應(yīng)性更強、成本更低。
b. 缺點：但OPA方案易形成旁瓣效應(yīng)，還有光信號覆蓋有限，環(huán)境光干擾等問題，信號處理的運算量大。
（3）技術(shù)難點：加工工藝、掃描角度、距離等問題尚待突破。
a. 加工工藝要求高：OPA，由緊密排列的（間距約為1μm）光學(xué)天線陣列組成，并在寬角度范圍內(nèi)發(fā)射相干光。通過調(diào)整每根天線發(fā)出的光的相對相位，可改變生成的干涉圖。若要在100m處分辨尺寸為10cm物體，需要一個工作波長為1μm的OPA，并具備由至少1000根天線組成的電路，其中每根天線的間距為1μm。OPA的其中一個關(guān)注指標，提高天線通道數(shù)。
b. 旁瓣效應(yīng)：光束經(jīng)過光學(xué)相控陣器件后的光束合成實際是光波的相互干涉形成的，易形成陣列干擾，使得激光能量被分散（旁瓣效應(yīng)：光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量）。
OPA激光雷達在減小旁瓣效應(yīng)、加工工藝、探測距離等技術(shù)難題上還不成熟，仍需要底層材料體系和芯片的工藝的突破，難度還是比較大的。
（4）OPA方案玩家：國外Quanergy；國內(nèi)廠商基本都處于預(yù)研階段。包括力策科技，洛微科技，萬集科技、國科光芯、速騰（有布局）、鐳神（有布局），整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展是比較緩慢。OPA初創(chuàng)公司周期太長。
結(jié)論：業(yè)界認為OPA是車載激光雷達最終解決方案，但還需要5-10年，并且依賴產(chǎn)業(yè)鏈上游的成熟度。技術(shù)難點主要在底層材料、加工工藝上。從產(chǎn)業(yè)鏈上看，更加集成化，且采用硅光工藝，外采的部件更少。
（二）測距方式方案分析
1. TOF方案
ToF（time-of-flight，飛行時間），通過直接測量發(fā)射激光與回波信號的時間差來估計距離信息。
TOF激光雷達采用了脈沖振幅調(diào)制技術(shù)（AM），因而也被稱為AM激光雷達。該方式需要編碼抵抗干擾，根據(jù)反射率判斷目標是否為偽目標，因此對算法層面有較高要求。
ToF可以分成iToF和dToF兩大類。dToF和iToF的原理區(qū)別主要在于發(fā)射和反射光的區(qū)別。
? dToF即直接發(fā)射一個光脈沖，并測量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時間間隔，從而得到光的飛行時間并計算距離。
? iToF發(fā)射的并非一個光脈沖，而是發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，即明暗強度呈規(guī)律變換的正弦波調(diào)制。通過檢測接收到的反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間的相位差，測量出飛行時間，從而估計出距離。
dToF/iToF的優(yōu)劣勢：
? dToF理論上其精度不隨距離增加而下降，抗干擾能力強、功耗較低，但工藝相對復(fù)雜；軟件層面，無需頻率調(diào)制，算法相對簡單，難點在于SPAD、以及高性能時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC；
? iToF精度偏低、探測距離相對短、抗干擾性較弱（環(huán)境光對電路的干擾）、功耗較大，但工藝相對簡單；軟層面，調(diào)制算法、數(shù)據(jù)處理算法難度大。
2. FMCW方案
（1）技術(shù)原理：
FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波），主要通過發(fā)送和接收連續(xù)激光束，把回光和本地光做干涉，并利用混頻探測技術(shù)來測量發(fā)送和接收的頻率差異，再通過頻率差換算出目標物的距離。
具體地說，激光束擊中目標物后被反射，而反射會影響光的頻率——如果目標物向車輛走來，頻率會升高；如果目標物和車輛同方向行走，則頻率會降低。當(dāng)反射光返回到探測器，與發(fā)射時的頻率相比，就能測量兩種頻率之間的差值，從而計算出物體的距離信息。
根據(jù)多普勒頻移信息可以直接測量速度信息，抗環(huán)境光和其他激光雷達干擾能力強，可大大改善信噪比，未來往利用硅基光電子技術(shù)實現(xiàn)激光雷達芯片化方向發(fā)展。
（2）FMCW激光雷達拆解：
a. 光源：
原理上905nm和1500nm波長光源都可以使用，但光通信領(lǐng)域應(yīng)用的FMCW基本都是1500nm光源，供應(yīng)鏈相比905nm成熟，905nm做出的FMCW雷達成本太高。故基本使用1550nm波長光源。但國內(nèi)產(chǎn)業(yè)成熟度方面，FMCW1550nm光源比TOF的貴很多，國內(nèi)幾乎沒有量產(chǎn)的。
采用窄線寬激光器，即相關(guān)性比較好的激光器（相關(guān)性一般指激光的頻率、振動方向、相位高度一致）。FMCW要保證回光能和本地光進行干涉，只有干涉了才能檢測到目標，因此，對激光器的“相干性”要求很高。FMCW采用的1500nm光源與TOF采用的1500nm光源都是基于磷化銦襯底，但是結(jié)構(gòu)不同，FMCW要求窄線寬（保證自相干性）、低噪聲，導(dǎo)致兩者的性能、良率、成本等完全不同。
b. 探測器：
使用低成本的PIN PD。在FMCW中，光束在發(fā)出去之前，留了一半在本地，盡管回光也有折損，但本地光還在，這兩部分一結(jié)合，就把光信號給放大。在TOF中，APD在放大信號的同時也放大了噪聲，而FMCW是不帶噪聲的。
FMCW收發(fā)集成，需采用硅光工藝。目前在探測器端，已經(jīng)可集成到硅光芯片（該硅谷芯片上集成了分光器、調(diào)頻器、偏振控制、相干混頻陣列等功能）上；但發(fā)射端因為是三五族產(chǎn)品，沒法直接集成到硅光芯片中，目前基本是將激光器在另一塊晶圓上加工好之后，可以再通過一些特殊工藝被貼到硅光芯片上，也屬于激光器外置，但英特爾已在朝著“激光器內(nèi)置”發(fā)展，但工藝難度要求非常高，且英特爾已建立專利壁壘。
c. 掃描方案：
FMCW做長距離，最合適的是跟OPA搭配，當(dāng)前業(yè)界用的仍是較成熟的方案如機械師、轉(zhuǎn)鏡、MEMS。FMCW+OPA結(jié)合，主要是兩者通過硅片芯片都可以實現(xiàn)降本，且固態(tài)OPA技術(shù)路線本就具備眾多優(yōu)點。但業(yè)界認為即使到2030年OPA+FMCW方案裝車應(yīng)用都很難成熟。目前國內(nèi)摯感光子采用了棱鏡掃描，而光勺科技目前用的是機械掃描，2022年會換成MEMS。
（3）FMCW技術(shù)路線優(yōu)勢與挑戰(zhàn)：
a. 優(yōu)勢
??TOF的速度維數(shù)據(jù)質(zhì)量低，而FMCW可獲取每個像素點的速度維數(shù)據(jù)。FMCW的反射光頻率會因為多普勒效應(yīng)根據(jù)前方移動物體的速度而改變，可直接計算出目標物每個像素點的速度數(shù)據(jù)。速度維度數(shù)據(jù)的作用，一是延長了有效探測距離，二是反射率很低的物體可以被僅憑一個光點就被探測到，三是輸出目標物每個像素點的速度，這便減少了后端處理對算力的要求，傳感器融合的算法架構(gòu)也好做。
??TOF的光波容易受環(huán)境光干擾，而FMCW的抗干擾能力很強。TOF的關(guān)鍵技術(shù)在電信號（通過調(diào)制電的脈沖讓光的脈沖更窄，再把光變成電信號，然后再去操縱電信號來解析出來這個脈沖），而電信號的一大特質(zhì)是很容易被環(huán)境噪聲干擾。FMCW基于相干原理（被反射回的光跟本地光干涉），它只能接收到自己發(fā)出去的光（頻率相同或相近），因而不會受到各種“雜光”的干擾。
??TOF的信噪比過低，而FMCW的信噪比很高。信噪比過低會導(dǎo)致無法區(qū)分真?zhèn)文繕恕ＭǔMCW激光雷達的信噪比要比TOF高10倍以上。原因一是FMCW激光雷達的探測端只能接收到自己發(fā)出去的光；二是FMCW激光雷達留有本振光，跟返回信號光融合。
??TOF很難跟OPA融合。TOF峰值功率很高（通常在40-50瓦，甚至可達100 瓦），不適合做在硅光芯片上，而降低功率會降低探測距離。如Quanergy之前TOF+OPA組合的方案，探測距離就不到100米。而FMCW的峰值功率只有“百毫瓦級別”，主要跟以下兩方面有關(guān)，一是TOF的單次測距只需2微秒，而FMCW單次測距需要20微秒，盡管總能量并不少，但由于能量在時間上是平攤的，因而峰值功率會比較低；二是TOF的信噪比較低，如果功率太低，就無法獲得足夠多的“有效信號”，而FMCW的信噪比很高，即便是用很低的功率，也可以獲得足夠多的“有效信號”。即OPA只有在FMCW成熟之后才可以應(yīng)用在車載激光雷達上。目前業(yè)界中做的OPA方案研發(fā)基本都是基于TOF調(diào)制方式來做的。
b. 挑戰(zhàn)
??對硅光芯片的要求比光通信產(chǎn)品苛刻得多。為了提高成像效果，FMCW激光雷達對硅光芯片的插損指標提出了更高的要求，否則探測距離會縮短，這對工藝有更高的要求。光通信產(chǎn)品要求傳輸速率更高，而FMCW激光雷達要求調(diào)頻調(diào)制的線性度更高、信噪比更高。
??短期成本很難下降：導(dǎo)致成本居高不下的，不僅有1550納米激光器，還有接收器、光學(xué)元器件、電子元器件等。接收器成本：盡管使用低廉的PIN，但由于前端光學(xué)器件和后端電子器件的要求，接收器的整體成本比TOF更高。光學(xué)元件成本：FMCW系統(tǒng)使用相干探測，所有光學(xué)器件表面的公差都必須控制在λ/20以內(nèi)。精度太高供應(yīng)商太少；電子元件成本：FMCW對ADC轉(zhuǎn)換速率的要求是ToF系統(tǒng)的2~4倍，對FPGA的要求是能夠接收數(shù)據(jù)并進行超高速FFT轉(zhuǎn)換。即使使用ASIC，FMCW系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復(fù)雜度（和成本）也是ToF系統(tǒng)的幾倍。業(yè)界認為即使FMCW激光雷達達到百萬級出貨量，成本仍難低于500美元。
??算法復(fù)雜：FMCW激光雷達模擬前端和物理層數(shù)字信號處理算法都很復(fù)雜，特別是激光調(diào)制，難度極高。
??算法無法復(fù)用：TOF激光雷達用的算法無法復(fù)用至FMCW中，要嘗試FMCW激光雷達，激光雷達的算法就得重新寫，并且，后端的融合感知算法也需要重寫。下游車企或者自動駕駛公司積極性不高。
（4）FMCW方案主要玩家：
圖片來源：滴水石開
結(jié)論：TOF仍是短期內(nèi)的主流方案，FMCM是發(fā)展方向，但距離成熟仍有很長的距離。短期內(nèi)供應(yīng)鏈不成熟，對激光器、后端控制芯片、ADC、光學(xué)元件要求都很高，調(diào)制算法難度也很大。而長遠來看，產(chǎn)品的性能以及降本很依賴硅光工藝，國內(nèi)光通信硅光技術(shù)都不成熟，短期內(nèi)較難提升。
激光雷達系統(tǒng)層總結(jié)：
? 轉(zhuǎn)鏡+MEMS仍占據(jù)著未來3-5年發(fā)展窗口期。從一些行業(yè)調(diào)研紀要、以及從固態(tài)技術(shù)方案的成熟度來看，未來3-5年車載端80%是轉(zhuǎn)鏡、MEMS激光雷達方案，轉(zhuǎn)鏡、MEMS各占一半。
? 而對于激光雷達企業(yè)而言，一般都是圍繞下游車企客戶需求，聚焦成熟的技術(shù)路線，對固態(tài)技術(shù)路線進行預(yù)研，很難同時鋪開進行研發(fā)并取得競爭地位。
? 對于Flash技術(shù)方案，Flash激光雷達當(dāng)前受限于激光器功率、探測器靈敏度，探測距離仍比較短（或FOV很小），業(yè)界認為flash主雷達距離初步量產(chǎn)仍3-4年時間（如Ouser最新推出的探測距離達200m的Flash激光雷達，當(dāng)前仍處于樣機階段，最快于2024年量產(chǎn)。核心還是取決于上游激光器、探測器的技術(shù)成熟度、成本）。而國內(nèi)進行Flash車載研發(fā)的比較少，主要有北科天繪等做測繪市場的Flash廠商，以及其他技術(shù)路線廠商做技術(shù)預(yù)研。當(dāng)上游供應(yīng)鏈逐步成熟后，進入門檻就變得相對較低。屆時面對的競爭對手包括其他技術(shù)路線激光雷達廠商以及新進入者。原先通過MEMS或轉(zhuǎn)鏡等技術(shù)路線已跟車企建立深度業(yè)務(wù)合作、規(guī)模量產(chǎn)交付能力，屆時在交付經(jīng)驗、批量生產(chǎn)上相比純Flash或從工業(yè)市場切汽車市場的企業(yè)更具優(yōu)勢。
? 對于OPA技術(shù)方案，國內(nèi)主要就力策科技、洛微、萬集等廠商在研發(fā)，總體研發(fā)周期很長（在材料、硅光工藝上仍有很大的挑戰(zhàn)，對企業(yè)而言需持續(xù)研發(fā)流片迭代），需持續(xù)投入。OPA技術(shù)壁壘相比Flash是更高的，需要持續(xù)投入積累，新進入者進入后仍需花費較長的摸索及長時間積累才可突破。對于OPA技術(shù)方案，核心就是激光雷達廠商的天線設(shè)計、工藝能力，外采的核心就是激光器陣列，以及一些處理芯片、驅(qū)動芯片、ADC（集成能力強的玩家都可以在硅片上實現(xiàn)單片集成）。當(dāng)前階段去了解其OPA技術(shù)方向的產(chǎn)業(yè)鏈投資比較難看清楚。
? 對于FMCW激光雷達，其核心的優(yōu)勢就是在遠距離，故其的優(yōu)勢市場就是在車載市場，切入其他非車載市場競爭力不強。但從其技術(shù)難度以及產(chǎn)業(yè)成熟度（包括窄脈寬激光器、硅光集成工藝、高精度光學(xué)元件）來看，（硅光的）FMCW距離成熟的時間仍比較長。在FMCW技術(shù)方案上下游的投資，其窄脈沖激光器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、控制芯片技術(shù)難度要求被其他方案更高，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)更加稀缺。
三 激光雷達零部件層分析
整體發(fā)展趨勢：發(fā)射端由EEL向VCSEL發(fā)展；接收端由PD/APD向SPAD/SiPM發(fā)展；芯片端由FPGA向SoC進化；掃描端由機械式-半固態(tài)（中短期）-純固態(tài)（長期）。
（一）發(fā)射模塊
激光雷達芯片結(jié)構(gòu)
圖片來源：阜時科技
發(fā)射模塊包含激光器、激光器驅(qū)動芯片。接收模塊包含高度ADC、跨導(dǎo)放大器TIA、時間轉(zhuǎn)換器TDC等。主控芯片當(dāng)前主要是FPGA，后期激光雷達廠商會往SOC方向自研。當(dāng)前后端處理ADC、TIA、FDA、TDC等元件基本是TI、ADI在供。
1. 激光器
（1）光源波長
目前激光雷達應(yīng)用的主要包括905nm與1550nm光源。同時也有850nm等波長的光源（ouster）。
a. 905nm：
??優(yōu)點：光噪聲和控制信號是比較好；基于Si材料及在光通信的成熟應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，價格便宜。
??缺點：最大問題是905nm未滿足人眼安全功率等級，發(fā)射的脈沖激光若功率過大會傷害人眼。而在功率受限的情況下當(dāng)前的探測距離限制在150m（后續(xù)可能有所進步）。
905nm光源一般采用EEL或者VCSEL，其中VCSEL主要是基于砷化鎵襯底。
b. 1550nm：
??優(yōu)點：光束質(zhì)量極佳，脈寬較窄，激光人眼安全功率等級更高，可以使用更大的功率以獲得更強的穿透能力，平均發(fā)射功率可達 905nm 的 40 倍，探測距離更遠，探測分辨率更精確；
??缺點：相較于905 nm激光雷達，使用光纖激光器、InGaAs 探測器，價格昂貴；高功率需考慮散熱需求；需要外部電源和復(fù)雜的電子控制裝置，體積較大。
1550nm波段主要是光纖激光器形式，在光通信領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟。光纖激光器為摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，其特點在于電光效率高、輸出功率高、光束質(zhì)量好、速度快等。光通信應(yīng)用的光纖激光器功率是比較小的，提升功率才能在激光雷達上應(yīng)用。而功率達標的光纖激光器成本高達100美金（有的認為高達數(shù)百美金）。價格昂貴也是當(dāng)前業(yè)界未大批量采用1550nm光源的原因。
EEL也可以做到1550nm波長，如深圳瑞波光電開發(fā)了車載應(yīng)用的1550nmEML半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品；但VCSEL目前很難做1550nm波長，目前做到的非常少，且成本很高，技術(shù)方面主要原因跟其材料有關(guān)，1550nmVCSEL發(fā)光材料即有源層材料需采用四種InGaAsP（銦鎵砷磷，不常見，四種復(fù)合材料）、襯底材料InP（常見），但InP襯底的反射率很低，需要做很多層的生長才能達到總折射率，這就涉及工藝、設(shè)備成本、人工成本、生產(chǎn)周期；且InP導(dǎo)熱率很差，很容易燒壞。
當(dāng)前車載1550nm光纖激光器產(chǎn)品性能并非很成熟，905nm仍有較大的應(yīng)用潛力，一是隨著905nm光源上游元器件的發(fā)展，10%反射率下的探測距離提升到200m以上；二是905nm方案的溫升表現(xiàn)會優(yōu)于1550nm光源。
激光雷達廠商從905nm切換到1550nm，產(chǎn)品設(shè)計差別不大，包括控制算法，一般切換只需要2-3月時間。
關(guān)于905nm光源向1550nm光源的發(fā)展趨勢，最近1-2年內(nèi)國內(nèi)有批量交付的主要是圖通達、國外主要就是Luminar。2022年國內(nèi)開始有采用1550nm波長光源的激光雷達開始交付。從下表可以看出，目前采用1550nm波長光源的主要為圖通達獵鷹激光雷達，2022年Q1開始給蔚來ET7交付；一徑科技ML-XS，應(yīng)用于嬴徹科技干線物流車上，預(yù)計2022年-2023年才交付；而鐳神智能自研光纖激光器，但其1550nm激光雷達LS21G于2021年H2才發(fā)布樣機，距離批量交付預(yù)計最早也需要至2023年；昂納科技2014年開始布局1550nm光纖激光器，2022年發(fā)布1550nm激光雷達產(chǎn)品，距離批量訂單交付最快也需至22、23年；禾賽也有在自研光纖激光器，但未有產(chǎn)品推出。
國內(nèi)主流激光雷達產(chǎn)品情況
圖片來源：滴水石開
（2）激光器類型
激光器是激光雷達發(fā)射模塊的重要組成部分，主要方案有邊發(fā)射激光器(EEL)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和光纖激光器三種，其中EEL和VCSEL屬于半導(dǎo)體激光器。當(dāng)前VCSEL的應(yīng)用仍處于起步階段，隨著VCSEL功率逐步提升、陣列化的成熟，VCSEL滲透率逐步提升。
? EEL：作為探測光源具有高發(fā)光功率密度的優(yōu)勢，但 EEL 激光器因為其發(fā)光面位于半導(dǎo)體晶圓的側(cè)面，使用過程中需要進行切割、翻轉(zhuǎn)、鍍膜、再切割的工藝步驟，往往只能通過單顆一一貼裝的方式和電路板整合，而且每顆激光器需要使用分立的光學(xué)器件進行光束發(fā)散角的壓縮和獨立手工裝調(diào)，極大地依賴產(chǎn)線工人的手工裝調(diào)技術(shù)，生產(chǎn)成本高且一致性難以保障。但在光通信行業(yè)應(yīng)用多年，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，成本低。
? VCSEL：發(fā)光面與半導(dǎo)體晶圓平行，具有面上發(fā)光的特性，其所形成的激光器陣列易于與平面化的電路芯片鍵合，在精度層面由半導(dǎo)體加工設(shè)備保障，無需再進行每個激光器的單獨裝調(diào)，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進行整合，提升光束質(zhì)量。
圖片來源：國信證券
傳統(tǒng)的 VCSEL 激光器存在發(fā)光密度功率低的缺陷，導(dǎo)致只在對測距要求近的應(yīng)用領(lǐng)域有相應(yīng)的激光雷達產(chǎn)品（通常<50 m）。EEL功率密度更高，125W激光器的光功率密度可以高達60,000W/mm2；而1000W的VCSEL，其光功率密度僅能做到1,000W/mm2。近年來國內(nèi)外多家 VCSEL 激光器公司紛紛開發(fā)了多層結(jié) VCSEL 激光器，將其發(fā)光功率密度提升了 5~10 倍。
2020-2021年，全球主要廠商陸續(xù)發(fā)布了雙結(jié)和三結(jié)VCSEL產(chǎn)品，而頭部廠商Lumentum則在2021年3月首發(fā)五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列，每個發(fā)射孔的光功率超過2W，從而使得1平方毫米VCSEL陣列的峰值功率超過800W。而國內(nèi)進展最快的縱慧芯光已開發(fā)開發(fā)了2結(jié)、3結(jié)和5結(jié)產(chǎn)品。目前在VCSEL領(lǐng)域上車的包括Lumentum、AMS。
（3）競爭格局
現(xiàn)階段發(fā)射端激光器仍由國外廠商主導(dǎo)，代表企業(yè)有濱松光子、Lumentum、ASRAM、Lumibird等。
? EEL：國外主要供應(yīng)商歐司朗ASRAM、Lumentum、II-VI Finisar，國內(nèi)主要是中電科44所、深圳瑞波光電，長光華芯、炬光科技等。
? VCSEL：國外Lumentum、AMS、歐司朗ASRAM、II-VI Finisar；國內(nèi)VCSEL廠商分地域來看，長三角地區(qū)包括縱慧芯光、睿熙科技、長光華芯（2021年H1VCSEL收入不到200萬元）、華芯半導(dǎo)體、度亙激光、老鷹半導(dǎo)體、焜騰紅外等；珠三角地區(qū)包括博升光電、檸檬光子、瑞識科技、新亮智能；此外還有總部位于武漢的仟目激光，以及炬光科技，LED上市廠商（例如三安光電、乾照光電、華燦光電）布局VCSEL。
? 光纖激光器：國外法國Lumibird 、美國QPC Lasers（波科激光）；國內(nèi)昂納科技（光通信廠商，港交所上市，已給國內(nèi)外多家激光雷達廠商供應(yīng)光源。22年發(fā)布1550nm激光雷達）、海創(chuàng)光電、鐳神智能（自研，創(chuàng)始人具備光通信領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗）、江蘇亮點光電（據(jù)稱已開發(fā)給車載客戶送樣）、禾賽（有在研發(fā)）。
國內(nèi)激光器廠商在車載領(lǐng)域的進展：瑞波光電開發(fā)并小批量生產(chǎn)的1550nm EEL半導(dǎo)體激光芯片已供給激光雷達客戶，是國內(nèi)唯一一家實現(xiàn)1550nm 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的廠商；縱慧芯光、長光華芯獲得華為直接或間接投資，目前縱慧芯光的VCSEL產(chǎn)品已通過AEC-Q、IATF16949認證，預(yù)計將于2022年在汽車電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前裝量產(chǎn)，長光華芯應(yīng)用于車載激光雷達的高功率、多結(jié)、高能量密度VCSEL產(chǎn)品也于2021年取得重要突破。
（4）激光器投資邏輯
??VCSEL激光器：
基于砷化鎵材料，國內(nèi)砷化鎵襯底、外延、封裝領(lǐng)域都偏弱，核心還是工藝，做IDM模式更具優(yōu)勢，有利于產(chǎn)品迭代，但技術(shù)開發(fā)高、產(chǎn)線投入很大。
在車載激光雷達應(yīng)用的VCSEL方面，激光器性能（如功率）是固態(tài)雷達性能提升的重點，故國內(nèi)廠商有機會吃到這塊市場蛋糕的也是頭部的VCSEL廠商。
??1550nm光纖激光器：
在長距離上1550nm是發(fā)展方向。國內(nèi)當(dāng)前1550nm光纖激光器能滿足使用的就2-3家。包括昂納科技（主要供應(yīng)商）、海創(chuàng)光電（已處于量產(chǎn)階段）、江蘇亮點光電（據(jù)稱有給客戶送樣）。
（二）接收模塊
接收模塊包括探測器芯片、多通道模擬前端芯片（TIA）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片ADC/TDC。
1. 探測器芯片
（1）技術(shù)路線
a. PD：是由一個 PN 結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，具有單方向?qū)щ娞匦?#xff0c;PD 方案無增益， 探測距離短，適用于 FMCW 激光雷達，該方案探測成本低。
b. APD：在以硅或鍺為材料制成的光電二極管的 P-N 結(jié)上加上反向偏壓后，射入的 光被 P-N 結(jié)吸收后會形成光電流。加大反向偏壓會產(chǎn)生“雪崩”（即光電流成倍地激增）的現(xiàn)象，因此這種二極管被稱為“雪崩光電二極管”，APD 相比 PD增益能力得到提升，可以理解為一份光子進來，可以把它增益到上百的這種信號，即使在很低的光強下也可以進行有效探測，為 TOF 激光雷達技術(shù)相對成熟的方案。
c. SPAD：一種新型的光電探測器件，由工作在蓋革模式的雪崩二極管陣列組成，具有增益高（比 APD 提升了 10 萬倍）、探測距離遠等特點。
d. 硅光電倍增管 （SiPM）：多個 SPAD 的陣列形式，可通過多個 SPAD 獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用。
但由于雪崩二極管一直工作在倍增模式的話會影響二極管的使用壽命，從而影響該方案的可靠性，因而 APD 為目前 TOF 激光雷達的主流方案。
產(chǎn)業(yè)鏈成熟度：
APD已比較成熟，國外供應(yīng)商包括濱松，國內(nèi)包括中電科44所（做得比較好）、長光華芯、芯思杰等；
SPAD光子探測效率更高，適合中長距離探測。是當(dāng)前索尼等大廠、國內(nèi)初創(chuàng)公司聚焦的重點領(lǐng)域。其應(yīng)用于TOF技術(shù)路線，在消費電子（如手機、VRAR）等領(lǐng)域也有較大的應(yīng)用空間。
APD方案跟SPAD方案對后端電路芯片的需求差異：
dToF采用的是數(shù)字電路架構(gòu)，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，故只需要SPAD+TDC即可。而 itof 采用的是模擬電路結(jié)構(gòu)，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，APD探測到光信號（模擬信號）后，APD將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，跨阻放大器TIA對電信號進行低噪聲放大，將通過ADC進行轉(zhuǎn)換。
故SPAD不再需要TIA、ADC，而TDC將會繼續(xù)使用，且SPAD對TDC精度要求更高。
APD、SPAD對比
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
SPAD方案結(jié)構(gòu)
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
（2）競爭格局
關(guān)于SPAD的競爭格局，從全球來看，目前佳能遙遙領(lǐng)先，奧地利AMS、松下、索尼和三星處于第二梯隊；第三梯隊還有東芝、豐田（電裝）、安森美、濱松、英飛凌、意法半導(dǎo)體、富士膠卷；第四梯隊有蘋果、博通、Lumentum。
激光雷達廠商也在自研SPAD，如Flash廠商Ouster，對于Flash廠商而言，激光器、探測器的差異化更加重要。
部分代表性國際SPAD廠商
圖片來源：滴水石開
國內(nèi)有在做SPAD產(chǎn)品的廠商包括靈明光子、芯視界、阜時、芯輝、宇稱、惚恍微、識光芯科等。
（3）探測器投資邏輯
SPAD高度依賴生產(chǎn)工藝、封裝測試。如目前做得比較好的都是CIS\CCD玩家佳能、索尼，具備大批量封裝測試經(jīng)驗的安森美（外延收購SPAD廠商）。而中國大陸優(yōu)質(zhì)代工平臺比較缺乏，熟悉相關(guān)工藝的人員亦比較稀缺。
（三）光學(xué)模塊
1. 具體產(chǎn)品：激光雷達應(yīng)用的光學(xué)模塊，一般是透鏡、棱鏡、反射鏡，起成像作用；以及起特殊作用（如分光、傳像、濾波等）的元件，如分劃板、濾光片、光柵以及光學(xué)纖維件等。
2. 光學(xué)元件壁壘：玻璃研磨無區(qū)別，難度在于玻璃表面鍍膜。
3. 各種技術(shù)路線下光學(xué)元件價值：機械式＞轉(zhuǎn)鏡/棱鏡混合固態(tài)＞MEMS混合固態(tài)
（1）機械式：光路設(shè)計比較簡單。光學(xué)元件數(shù)量跟線束相關(guān)。方案難點在最終的調(diào)焦過程，64線或者是48線去對焦和調(diào)焦難度比較大，并且效率是最低的一個小時也就能做幾臺。
（2）MEMS光路比較簡單。
（3）OPA、FALSH等固態(tài)路線，相比其他路線會光學(xué)元件有所減少，有的是放在前端一塊集成了。
4. 競爭格局：基本都是舜宇、水晶、歐菲光、鳳凰光學(xué)，市占率60%-70%。各家的光路路徑設(shè)計會有所差異。其中的雷達視窗：水晶光電、舜宇車載光學(xué)、富蘭光學(xué)、亮宇。
5. 發(fā)展趨勢：光學(xué)元件廠商參與光學(xué)設(shè)計比重提高。產(chǎn)品形態(tài)越來越成熟，前端的一些玻璃廠家也開始加入光通道一些設(shè)計，在元件的基礎(chǔ)上延伸到光路設(shè)計環(huán)節(jié)，將光路模組出貨給激光雷達廠商。對于光學(xué)廠商而言這是一件雙贏的事情：激光雷達廠商生產(chǎn)良率及工藝效率得以提升，光學(xué)廠商能做的價值量提升。
6. 激光雷達光學(xué)元件相關(guān)上市公司：國內(nèi)光學(xué)元件行業(yè)比較成熟，全球的激光雷達光學(xué)元件供應(yīng)鏈基本都位于國內(nèi)。國內(nèi)上市公司也積極布局激光雷達市場。
注：掃描模塊、其他環(huán)節(jié)本處不做展開。
四 激光雷達成本構(gòu)成分析
激光雷達由激光發(fā)射、激光接收、信息處理、掃描系統(tǒng)組成，對應(yīng)激光器、探測器、信息處理、光學(xué)成本占比預(yù)計分別約30%、20%-30%、30%-40%、10%。
降本路徑：
??BOM成本降低：從目前激光雷達的核心組成元器件來看，芯片是關(guān)鍵的降本部分，包括控制芯片、ASIC芯片、激光器、波束控制機構(gòu)和光電探測器。如Luminar在招股書中顯示，其已經(jīng)通過跟供應(yīng)商的協(xié)議鎖定，在訂單量達到一定規(guī)模的前提下激光發(fā)射器、探測器及Asic芯片，這三項的成本可控制在100美元以內(nèi)。
??良率提升：最大的降本空間所在。良率從最開始的50-60%已經(jīng)提高到70-80%，正常上車良率達不到95%或98%以上，沒法通過主機廠的上車的要求。
??規(guī)模效應(yīng)分攤制造成本：民生電子調(diào)研數(shù)據(jù)，目前制造成本200多元，未來預(yù)期會降到40元以內(nèi)，也就是30多元，下降空間還有100-200元。
激光雷達廠商預(yù)測價格在1000-2000美金之間（初步量產(chǎn)規(guī)劃價格）。上車的滲透率肯定是逐步提升的，整車廠上車的成本預(yù)期在1000美金以內(nèi)。以目前某個新勢力看，現(xiàn)在定點的激光雷達價格在400-500美金，希望規(guī)模量產(chǎn)后成本降到200-300美金。
五 激光雷達行業(yè)發(fā)展趨勢
對于一項產(chǎn)品而言，總是呈現(xiàn)圍繞客戶需求，進一步提升性能、降本、可大規(guī)模量產(chǎn)的發(fā)展趨勢。
由混合固態(tài)過渡到純固態(tài)激光雷達是未來的技術(shù)發(fā)展路線。短期轉(zhuǎn)鏡、MEMS，中長期OPA。基于可靠性、量產(chǎn)成本的考量，長期看激光雷達的發(fā)展將朝著可動器件趨近于0的方向。Flash方案一定程度上受到高功率發(fā)射對于探測距離的限制，OPA在可量產(chǎn)性、可靠性、成本方面（隨著技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)鏈完善，成本有望下降到百元級別）具備優(yōu)勢，主要問題是技術(shù)成熟度不足。作為到固態(tài)激光雷達的過渡階段，近幾年量產(chǎn)的產(chǎn)品都屬于混合固態(tài)激光雷達，主要包括轉(zhuǎn)鏡、 MEMS方案。
芯片化、集成化。激光雷達的性能，主要取決于收發(fā)模塊；可靠性取決于掃描模塊；成本由二者決定。而掃描模塊是一直在演進的，對于激光雷達廠商而言，收發(fā)模塊技術(shù)是通用的，考慮的在穩(wěn)定可靠的掃描模塊基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化收發(fā)模塊，提升產(chǎn)品競爭力。
掃描模塊的本質(zhì)是機械，由它帶來的可靠性問題需要通過工程方式來解決，主要靠時間。相比之下，收發(fā)模塊的壁壘，則是電子技術(shù)的演進，是技術(shù)壁壘+工程壁壘，這其中的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)能力就非常重要。
芯片屬于一個規(guī)模制造行業(yè)，需要有一定體量才能去做芯片化，也只有頭部玩家才能實現(xiàn)高度芯片化，如國內(nèi)就是速騰、禾賽，定點車型比較多，體量比較大。
總結(jié)
車載激光雷達作為L3及以上智能駕駛的核心傳感器，屬于新的增量市場，車載領(lǐng)域全球亦有幾十億美金的市場空間。
產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的摸索，在2022年終于實現(xiàn)上車“量產(chǎn)元年”，當(dāng)前國內(nèi)15萬以上的新能源新車型大多數(shù)都配置激光雷達，隨著車企部分L3級別智能駕駛功能在2022年逐步交付應(yīng)用，激光雷達選配率提升速度將進一步加快。
在系統(tǒng)層，從技術(shù)路線角度，轉(zhuǎn)鏡、MEMS仍占據(jù)著未來3-5年發(fā)展窗口期，未來3-5年車載端80%是轉(zhuǎn)鏡、MEMS激光雷達方案，轉(zhuǎn)鏡、MEMS各占一半，且目前能看到更多的廠商往MEMS方向開發(fā)。Flash方案主要依賴上游收發(fā)模塊的成熟度，國內(nèi)上游仍不成熟，一旦成熟該技術(shù)方向的進入壁壘將降低，未來幾年Flash將率先應(yīng)用在側(cè)向補盲。而OPA、FMCW距離上車仍有遙遠的距離。
參考資料：
1、 激光雷達的市場空間、技術(shù)路線及產(chǎn)業(yè)鏈拆解-國信證券
2、 自動駕駛競爭升級，帶動需求爆發(fā)，從技術(shù)角度看激光雷達-海通證券
3、 “激光雷達，理想與現(xiàn)實”系列文章-高工智能汽車
4、 激光雷達井噴式上車，這一年發(fā)生了什么？|回望2021-智駕網(wǎng)
5、 車載激光雷達交流紀要：2021年是量產(chǎn)元年？
6、 匠心·創(chuàng)新---萬集科技激光雷達產(chǎn)業(yè)化進程
7、 FMCW激光雷達科普系列-九章智駕
8、 dToF與iToF技術(shù)解析
9、 看懂這顆激光雷達芯片，就看懂了索尼汽車-車東西
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的深入解构车载激光雷达的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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