激光雷達行業(yè)研究報告

激光雷達行業(yè)研究報告一、Flash是較易實現(xiàn)的車載全固態(tài)激光雷達方案激光雷達固態(tài)升級是主旋律MEMS半固態(tài)激光雷達是目前最為成熟的半固態(tài)激光雷達，也是當下乘用車前裝量產的首選方案。MEMS微振鏡本質上是一種硅基半導體元器件，其特點是內部集成了“可動”的微型鏡面，采用靜電或電磁驅動方式，將以電機為主的掃描系統(tǒng)換成MEMS驅動的鏡片，實現(xiàn)激光雷達的掃描。MEMS作為較為成熟的半導體元件具備大規(guī)模生產后成本下降的特性，但下降空間有限。MEMS依舊存在少量機械結構。MEMS的核心部件MEMS微振鏡屬于震動敏感型結構，如何確保其在車載極端環(huán)境下的可靠性是MEMS廠商需要解決的問題之一。此外，精密的微振結構在生產過程中調試難度較大，依舊存在部分手工調節(jié)過程，難以滿足大批量、標準化、低成本、快速生產的需求。MEMS性能提升潛力較低。MEMS方案通過MEMS振鏡的物理震動來實現(xiàn)光束的反射和折射，以完成對光束的操控。因此，光束掃描頻率與MEMS振鏡的振動頻率直接相關。但MEMS振鏡的震動存在物理極限，進而導致了MEMS激光雷達的掃描頻率提升受限。而全固態(tài)方案則不依賴機械運動，主要與脈沖頻率有關，因此成像頻率在理論上可無限提升。MEMS掃描模式下，掃描頻率與掃描角度存在沖突。MEMS振鏡振動頻率越快，則掃描頻率越快。而MEMS振動幅度越大，則掃描角度越大。振動頻率與振動幅度負相關，因此掃描頻率與掃描角度之間存在沖突。MEMS振鏡震動頻率越快，則光束掃描越快，掃描頻率越高，幀率越高，但掃描角度越小。Flash激光雷達不存在機械掃描過程，其幀率與脈沖頻率有關。Flash激光雷達的成像原理與攝像機類似，其在短時間內向前方發(fā)射大面積的激光，依靠高靈敏度的探測器對回波信號進行收集并繪制成像。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。Flash激光雷達當前功率密度較低，性能較差Flash激光雷達功率密度較低，F(xiàn)oV（掃描角度）、探測距離、探測精度三者難以兼顧。Flash方案激光雷達屬于泛光成像，其發(fā)射的光線會散布在整個視場內，其中包括大量不必要的區(qū)域，因此會對功率造成浪費，從而影響其探測精度和距離。因此，其探測的FoV角度越大，便意味著等量的功率所需覆蓋的面積越大，則激光功率密度越低，探測距離越短，探測精度越低。Flash方案的弊病主要可從四個方面解決：提高功率、縮小掃描角度以聚焦、可變掃描角設計、降低定位。提高功率是提高Flash激光雷達性能最直接的方案，但是實現(xiàn)難度最大；縮小掃描角度以聚焦、可變掃描角兩種方案屬于在探測距離和掃描角度之間做取舍，實現(xiàn)難度較低；降低定位方案的發(fā)展思路為放棄提升性能而專注于降本?！疤岣吖β省狈桨笇崿F(xiàn)難度最大，可能會導致成本大幅上升。傳統(tǒng)的VCSEL激光器存在發(fā)光密度功率低的缺陷，導致只在近距離探測領域有相應的激光雷達產品（通常<50m）。近年來國內外多家VCSEL激光器公司紛紛開發(fā)了多層結VCSEL激光器，將其發(fā)光功率密度提升了5~10倍，這為應用VCSEL開發(fā)長距激光雷達提供了可能?！翱s小掃描角度以聚焦”、“可變掃描角”屬于在探測距離和掃描角度之間做取舍的兩種方案，其實現(xiàn)難度較低。在嚴格控制生產成本情況下，兼顧掃描角度、探測距離二者的全能激光雷達研發(fā)生產難度較高，專注于某一方面性能的功能性激光雷達有望成為主流?？s小掃描角度以提高在較小掃描范圍內的探測距離，屬于主雷達發(fā)展思路；而可變掃描角方案則實現(xiàn)了性能側重點在探測距離和掃描角度之間轉換的靈活性，屬于平衡型雷達發(fā)展思路。主激光雷達特點為探測距離遠，平衡型激光雷特點為無明顯弱勢項。主雷達通常安裝在車輛中央，面朝前方，對探測距離有較高要求，對掃描角度無硬性要求。其通常搭配若干中短距雷達在車輛周身作為輔助，以彌補其在掃描角度上的不足，代表型產品為Ouster-ES2。平衡型激光雷達在探測距離、掃描角度等方面無明顯弱勢項，通常以雷達組的形式出現(xiàn)，覆蓋車輛周身主要視角和方向，代表型產品為速騰聚創(chuàng)M1?！敖档投ㄎ弧狈桨傅陌l(fā)展思路為放棄提升性能而專注于降本。輔助雷達對于性能要求較低，但對成本更加敏感。Flash方案激光雷達相比于機械式和MEMS的優(yōu)勢在于集成度、量產成本，而劣勢在于短期內性能難以大幅提高，其方案本身特點較為滿足輔助雷達定位。二、Ouster：逆浪而行的數(shù)字激光雷達堅持芯片化集成技術，產品矩陣完善Ouster成立于2015年，于2021年3月通過SPAC在北美上市（代碼：OUST）。公司旗下激光雷達產品主要分為機械式的OS和固態(tài)式的ES兩大系列。根據(jù)公司官網信息，公司產品命名采用字母+數(shù)字的形式：OS為機械式激光雷達，ES為固態(tài)激光雷達；0、1、2分別對應短、中、長距。在OS系列三款不同定位產品中，又劃分為32線、64線、128線三種規(guī)格。截至2021年8月，Ouster官網合計列示了9款機械旋轉式激光雷達和1款固態(tài)激光雷達。ES2固態(tài)激光雷達犧牲掃描角度以實現(xiàn)更遠的探測距離。前文提到，F(xiàn)lash方案激光雷達存在功率密度低的弊病，可通過調整掃描角度或探測距離的方法將有限的功率側重供給于某方面性能上。OusterES2固態(tài)雷達選擇犧牲掃描角度以換取較遠探測距離，其掃描角度僅為26°*13°，但探測距離高達200m（10%反射率），應用領域為ADAS。Ouster產品矩陣較為完善，下游應用場景多樣。公司第一代產品為OS1，開創(chuàng)性的將固態(tài)的激光收發(fā)器與機械旋轉掃描結構相結合，定位為中距探測。Ouster第二代產品為超廣角激光雷達OS0和遠距離激光雷達OS2。相比于第一代產品OS1，OS0在探測距離方面更短，但垂直掃描角度翻倍，整體FOV角度達到了360°x90°的超高水平；而OS2的掃描角度僅為OS1的一半，但其探測距離相比于OS1則提升了一倍，主要用于遠距離探測。目前OusterOS系列產品均已實現(xiàn)量產，使用場景覆蓋自動駕駛、無人機、安防等多個領域。Ouster與眾不同的三大特質芯片化、850nm附近工作波長、數(shù)字化是Ouster產品的三大特征。Ouster專注于數(shù)字化技術，將激光雷達的收發(fā)端全部集成到芯片上，使得整個產品的集成度大幅提升，成本和量產難度大幅降低。此外，在激光波長選擇方面，Ouster憑借自身在環(huán)境光抑制方面的專利技術，采用了光子通量較高的850nm附近波長的激光，從而使得自身產品具備了諸多的特質。而在掃描結構方面，其在OS系列產品上延續(xù)了傳統(tǒng)機械旋轉式的掃描結構，形成了獨有的機械式固態(tài)方案。Ouster專注于芯片集成技術，研發(fā)共享度高，可有效降低成本。不同于傳統(tǒng)激光雷達內部包含了數(shù)千個零部件，Ouster數(shù)字激光雷達內部只有一個芯片級激光陣列和一個CMOS傳感器，大大降低了價格，提高了性能和可靠性。其不同系列產品均采用芯片化的激光發(fā)射器和探測器，區(qū)別僅體現(xiàn)在光束操控領域，因此研發(fā)成果共享度極高，可有效降低研發(fā)成本。此外，芯片集成技術可使得Ouster激光雷達產品的性能提升遵循摩爾定律，使其性能提升速度遠超同類競品。環(huán)境光抑制技術賦予Ouster具備使用850nm作為工作波長的能力。850nm波長處的太陽光子通量遠高于傳統(tǒng)激光雷達使用的905nm、940nm、1550nm，會在探測器接收回波信號過程中造成較大噪音干擾。Ouster擁有獨特的環(huán)境光抑制技術，即使考慮到太陽光譜中不同波長的光子通量差異，其探測器仍能夠保持較高信噪比。選擇850nm作為工作波長為Ouster產品帶來諸多優(yōu)勢：低水汽吸收性、高CMOS探測器靈敏度。大氣中的水蒸氣會吸收部分905nm、940nm、1550nm太陽光，因此地表中上述三種波長光的含量較低，但地表的潮濕環(huán)境中的水汽仍然會對上述波長的光進行吸收，進而使得采用上述三種工作波長的激光雷達能量利用率下降。而850nm光在所有條件下都擁有較低的水汽吸收性，因此Ouster激光在潮濕環(huán)境中的受到的影響較低。硅基CMOS探測器在850nm處擁有更高靈敏度。從850nm到905nm，硅基探測器感知上述波長的靈敏度降低了約2倍。探測器靈敏度下降會直接導致其可接收到的回波信號減少，降低激光雷達的探測距離和分辨率。Ouster將機械式旋轉掃描結構融入固態(tài)激光雷達之中，形成了獨特的數(shù)字激光雷達。Ouster巧妙的結合了機械旋轉式激光雷達360°掃描和固態(tài)激光雷達在成本和集成度方面的優(yōu)勢，開創(chuàng)了全新的數(shù)字激光雷達路線。應用領域廣泛，業(yè)績爆發(fā)在即Ouster的合作伙伴涉及諸多應用領域，單一合作伙伴合作程度較深，對車載依賴程度較低。根據(jù)Ouster公布信息，公司產品目前應用在諸多領域，包括自動駕駛、機器人、安防、工業(yè)、智慧城市、V2X、農業(yè)、地圖等，其中自動駕駛、機器人、安防三大領域合作伙伴數(shù)量最多。根據(jù)Ouster官網列示信息，截至2021年7月，該三大應用領域合作伙伴數(shù)量分別為12個、11個、10個。Ouster與單一合作伙伴在諸多領域均有合作項目，合作程度較深。根據(jù)Ouster官網列示信息，截至2021年7月，與Ouster合作領域最多的四大合作伙伴為Unikie、CronAI、Mechaspin、4DVirtualiz，合作領域數(shù)量分別為6個、5個、4個、4個。需要特別指出的是，Ouster雖然在車載市場的合作伙伴數(shù)量最多，但公司對車載市場的依賴程度并不深。根據(jù)Ouster的預測，2020-2025年，自動駕駛對公司營業(yè)收入的貢獻約為15%，ADAS營收貢獻約為2%。Ouster的諸多合作伙伴有望為公司在2025年帶來近60億美元訂單。根據(jù)Ouster推介材料公布信息，截至2021年5月6日，公司現(xiàn)有客戶有望為公司在2025年帶來價值超過20億美元的訂單，而全部客戶為公司在2025年帶來的訂單價值量有望達到近60億美元。公司傳感器有望在2020年后快速降本，穩(wěn)步提升毛利率，并在2023年后快速放量。公司目前主推9款機械式激光雷達和1款車載固態(tài)激光雷達，2020年產品平均售價及平均成本分別高達7818美元和8119美元，總毛利率僅為8%，公司產品有望快速降本，在2025年將產品平均售價及平均成本分別下降至1703美元和809美元，總毛利率提升至59%。Ouster預計其傳感器銷量有望在2023年之后實現(xiàn)快速放量，2020-2025年化復合增長率高達218%。產品銷量快速提升的原因是公司固態(tài)激光雷達產品有望在2023年大量投放市場。營業(yè)收入和毛利潤快速增長，毛利率逐年提升。根據(jù)Ouster官方信息，公司營業(yè)收入及毛利潤在2020-2025年有望實現(xiàn)大幅增長，營業(yè)收入2020-2025年化復合增長率高達142%，毛利潤2020-2025年化復合增長率高達242%。公司產品量產帶來的規(guī)模效應將持續(xù)降低產品生產成本，提高公司產品在市場上的競爭力，并賦予公司更強的議價能力和提價空間，持續(xù)提升毛利率。三、Ibeo：多領域布局，均衡型發(fā)展路線專注車載和工業(yè)領域Ibeo成立于1998年，初始專注于激光掃描儀技術的緊急制動系統(tǒng)開發(fā)。2000年，工業(yè)應用傳感器和傳感器系統(tǒng)制造商SICKAG收購Ibeo90%的股份成為大股東，同年發(fā)布無任何移動部件的ALASCA激光掃描儀。2005年，公司ALASCAXT的探測范圍從80米擴展到200米，并成為Ibeo第一個帶有FPGA的傳感器。2007年，公司發(fā)布IbeoLUX。2020年，Ibeo成為長城汽車再中國的首家激光雷達系列供應商。同年，公司產品IbeoNEXTGeneric樣本進入市場，預計將在2022年實現(xiàn)量產。Ibeo選擇可變掃描角方案，面向均衡型雷達方向發(fā)展。Ibeo目前在車載領域主要有兩款產品。第一款為2007年發(fā)布的LUX，其探測距離較近，在車載領域難以獨立擔當主雷達的角色，主要作為工業(yè)級激光雷達和車載輔助激光雷達。第二款為車規(guī)級激光雷達NEXTGeneric，該款激光雷達將激光發(fā)射器（10240個VCSEL）、激勵源（25Hz）、信號探測器（10240線SPAD）集成為三顆ASIC芯片，有11.2°*5.6°和60°*30°兩種掃描角模式。IbeoNEXT傳感器包含128列80行激光發(fā)射器和信號探測器。該款產品使用連續(xù)閃爍技術，可逐行對環(huán)境進行掃描。獨特4D激光雷達，強化車載性能IbeoNEXTGeneric4D激光雷達擁有多種掃描角模式，使用場景多樣。Ibeo開發(fā)了業(yè)界全新的4D傳感器系統(tǒng)，可額外形成黑白圖像——強度數(shù)據(jù)，強度圖像將強化車道識別功能。IbeoNEXT的應用場景十分多樣，根據(jù)應用，可以選擇11.2°x5.6°或60°x30°兩種掃描角（目前正在開發(fā)32°和120°模式）。通過使用多個傳感器并將數(shù)據(jù)與運行在ECU上的軟件融合，可以對車輛周圍環(huán)境進行360°檢測。IbeoNEXTGeneric可用于從交通擁堵助手到自動駕駛的汽車應用，其在工業(yè)領域也有許多用途。Ibeo與長城汽車等多家企業(yè)建立合作關系。根據(jù)Ibeo官網公布信息，截至2021年8月，公司公布的合作伙伴主要有長城汽車、SickSensorIntelligence、ZF、AMS、四維圖新、亮道等企業(yè)，涉及領域包括工業(yè)應用、汽車電子、光學傳感器、自動駕駛、乘用車等。公司于2020年與