激光雷達行業(yè)報告

1.從發(fā)展歷程看激光雷達激光雷達（LightDetectionAndRanging，簡稱"LiDAR"）即光探測與測量，是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和IMU（InertialMeasurementUnit，慣性測量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達厘米級，激光雷達最大的優(yōu)勢就是"精準"和"快速、高效作業(yè)"。從1960年人類首次制造出激光，到1992年三菱首次應(yīng)用激光雷達于汽車測距，再到2007年Velodyne生產(chǎn)出首臺商用3D動態(tài)掃描激光雷達，如今，激光雷達的發(fā)展呈現(xiàn)出加速化、多技術(shù)路徑并舉的特點，是汽車感知架構(gòu)的關(guān)鍵部件。1.1.回首發(fā)展脈絡(luò)，激光雷達緣何興起1.1.1.生根發(fā)芽，吸引國內(nèi)外勢力逐鹿藍海激光雷達的最早車規(guī)級應(yīng)用源于1992年，三菱公司在其旗艦產(chǎn)品第三代Debonair上搭載了可以用于探測跟車距離的激光雷達?？梢燥@示跟車距離，并在距離過近時發(fā)出預(yù)警。但是，當(dāng)時惡劣天氣可靠性更高、技術(shù)更為成熟的毫米波雷達更適應(yīng)這一功能，很快便取而代之發(fā)展成如今的ACC自適應(yīng)巡航功能。21世紀后，美國陷入阿富汗和伊拉克兩場戰(zhàn)爭，無人駕駛車輛被視為減少美軍傷亡的方法之一。2004年到2007年間，由DARPA（美國國防部高級研究計劃局）發(fā)起了三屆無人駕駛挑戰(zhàn)賽（DARPAGrandChallenge）。首屆比賽中7支隊伍均未完賽，但Velodyne公司的大衛(wèi)·霍爾卻從此意識到了激光雷達的巨大潛力，以及當(dāng)時單線式固定視距激光雷達的局限性。比賽結(jié)束后，霍爾發(fā)明了一臺機械轉(zhuǎn)動式64線激光雷達，形狀如同“車頂飛碟”，一改之前激光雷達僅掃描單一固定視線的思路。第二屆比賽中，開始有隊伍在車輛頂端裝載激光雷達，但由于車體機械故障未能完成比賽。至第三屆比賽時，霍爾的激光雷達開始大放光彩，幾乎被所有完賽的隊伍所采用。這就是日后Velodyne的主打產(chǎn)品之一，機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達HDL64E的原型。第三屆DAPRA結(jié)束后的幾年里，霍爾不斷改進產(chǎn)品，在2009年開始正式售賣日后聞名天下的機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達鼻祖HDL-64E，與原型機相比體積顯著減小。同年，谷歌創(chuàng)始人拉里·佩奇邀請了代表斯坦福拿下冠軍的塞巴斯蒂安·特龍教授（SebastianThrun），最終形成谷歌旗下的自動駕駛公司W(wǎng)aymo。2012年，17歲的天才少年羅素從斯坦福大學(xué)退學(xué)，創(chuàng)立了激光雷達的另一個巨頭Luminar，同年，主打固態(tài)激光雷達的Quanergy在美國加州成立。此后陸續(xù)誕生了Aeye，Innoviz，Innovusion等上百家激光雷達公司。Waymo在2016年發(fā)布了自研的激光雷達，博世在2017年收購了美國Tetravue入局激光雷達，蔡司也在2018年投資了激光雷達企業(yè)BridgerPhotonics。中國公司中，百度于2013年開始布局自動駕駛，此后陸續(xù)出現(xiàn)Drive.ai、小馬智行、禾多科技、文遠知行等一批公司，構(gòu)成了中國自動駕駛半壁江山。這些公司是激光雷達起步階段最主要的客戶群。2014年，禾賽科技、砝石科技、速騰聚創(chuàng)在國內(nèi)成立。2016年，在測繪激光雷達領(lǐng)域默默耕耘了11年的北科天繪發(fā)布了國內(nèi)首款激光雷達產(chǎn)品。萬集科技、鐳神智能、北醒光子等數(shù)十家激光雷達企業(yè)，如今已經(jīng)成為全球車載激光類額達領(lǐng)域中，不容忽視的一股力量。1.1.2.開花結(jié)果，固態(tài)化路線掀起技術(shù)迭代浪潮為滿足安全性、穩(wěn)定性和壽命的保障，激光雷達使用的軟硬件都需要過車規(guī)認證。而機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達并不適用，其一是動輒上萬美元的高昂單價使諸多車企難以承受；其二也是更難解決的問題，其內(nèi)部使用了大量機械運動部件，在體積和壽命上有缺陷，幾乎不可能通過車規(guī)認證。固態(tài)和混合固態(tài)（半固態(tài)）激光雷達成為了被看好的方向，其思路是改造激光雷達中的激光器，通過尋找其他工程實現(xiàn)方式減少激光器中的旋轉(zhuǎn)部件，從而提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性、壽命并減小量產(chǎn)成本。其中，固態(tài)雷達被認為是更優(yōu)方案。但目前難以實現(xiàn)。2014年成立于硅谷的Quanergy曾令固態(tài)OPA（光學(xué)相控陣，固態(tài)激光雷達主流技術(shù)之一）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。但其并沒有可靠的車軌級產(chǎn)品問世，核心參數(shù)探測距離在2016年時是300m，2017年卻變成了模糊不清的“很遠”；市場對OPA的熱情逐漸冷卻，Quanergy的市場占比也不及從前。另一固態(tài)雷達解決方案FLASH目前發(fā)展也尚未成熟，探測距離和分辨率難以兼顧，需要多年研究才能走向市場規(guī)?；?。在現(xiàn)有技術(shù)和工藝水平下，混合固態(tài)更能滿足量產(chǎn)車型對雷達穩(wěn)定性和壽命的要求。2018年，德國大眾旗下的奧迪A8成為首個搭載激光雷達的量產(chǎn)車型，它使用了由法國Tier1（汽車行業(yè)一級供應(yīng)商）法雷奧推出的全球第一個完成車規(guī)量產(chǎn)認證的激光雷達Scala，其使用的就是4線混合固態(tài)激光雷達路徑。但由于其線束太少，成像的可靠性和準度都大打折扣。被判斷并不是激光雷達嘗鮮者的中國車企，后來居上成為了全球最積極搭載激光雷達的客群。自2020年起，全球范圍有21款車型宣布將搭載激光雷達，中國公司推出了其中的14款，這些車企選擇的都是混合固態(tài)激光雷達。目前，應(yīng)用最廣泛的混合固態(tài)方案是MEMS（微機電系統(tǒng)），首個MEMS混合固態(tài)激光雷達是以色列公司Innoviz在2017年發(fā)布的InnovizOne；速騰緊跟其后，在同年推出了與InnovizOne相似的M1。另一個被看好的混合固態(tài)路線是單軸轉(zhuǎn)鏡，即Scala使用的方案。華為在2020年12月正式發(fā)布單軸轉(zhuǎn)鏡的96線激光雷達，并同步宣布了合作車型為北汽極狐阿爾法S。其準度和可靠性都大大超過奧迪搭載的4線激光雷達。禾賽在2021年第四季度推出了參數(shù)高于華為的128線激光雷達AT128，目前已拿下理想、集度、吉利旗下路特斯、高合等品牌的定點（指成為某品牌的指定供應(yīng)商）。由大疆孵化的覽沃（Livox）另辟蹊徑，它沒有選擇被外國廠商探索、驗證的路線，而是自己原創(chuàng)了棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描方案。在2020年CES上，覽沃發(fā)布了“Horizon地平線”和Tele-15兩款產(chǎn)品，地平線單價低至800美元。同年底，覽沃宣布獲得小鵬P5訂單，成為最早拿下量產(chǎn)訂單的中國激光雷達公司。該車型已于2021年交付。1.2.細究技術(shù)趨勢，為什么智能駕駛離不開激光雷達？1.2.1.主流傳感方式原理不盡相同，在車載領(lǐng)域各有優(yōu)劣汽車感知系統(tǒng)以攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達、激光雷達、GNSS（全球定位系統(tǒng)）等為主。傳感器作為實現(xiàn)汽車智能化的感知端設(shè)備，隨著自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，其重要性愈發(fā)凸顯。汽車環(huán)境監(jiān)測類傳感器主要包括：超聲波傳感器、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭等。監(jiān)測類傳感器分布于車身內(nèi)外，通過獲取外界環(huán)境信息，將模擬信號轉(zhuǎn)化為電信號后，傳遞至汽車的中央處單元中，從而幫助智能駕駛決策行為。此外，基于GNSS、高精度地圖和車路協(xié)同技術(shù)快速發(fā)展，進一步提升了智能駕駛的安全性、可靠性。攝像頭感知功能強大，是ADS（自動駕駛）與ADAS（高階智能輔助駕駛）的必備終端。其可以對路面所有事物進行成像，也是唯一一個可以分辨出具體顏色和圖形的感知硬件。特斯拉使用的就是單純基于攝像頭的純視覺路線。但攝像頭嚴重依賴數(shù)據(jù)訓(xùn)練，具有很高的行業(yè)壁壘。在一些特殊場景中也容易造成判斷失誤，例如特斯拉汽車將白色的貨車識別成了白云或天空而造成相撞。攝像頭的探測距離受到像素的限制，而高像素攝像頭需要大算力芯片支持，無形中增加了成本。此外，攝像頭受惡劣天氣影響很大，無法保證全天候條件下的穩(wěn)定工作。激光雷達綜合性能優(yōu)勢明顯：成像質(zhì)量好，信息獲取全。通過發(fā)射信號和反射信號的對比，構(gòu)建出點云圖，從而實現(xiàn)諸如目標距離、方位、速度、姿態(tài)、形狀等信息的探測和識別。除了傳統(tǒng)的障礙物檢測以外，激光雷達還可以應(yīng)用于車道線檢測。優(yōu)點在于測距遠、精度高，獲取信息豐富，抗源干擾能力強。主要缺點是在一些極端天氣條件下可能會有一定影響，目前價格相對較昂貴。毫米波雷達性能穩(wěn)定、穿透性強，性價比高受青睞。其波長在1~10mm之間，可以輕易地穿透塑料等材質(zhì)，因為穿透力較強，所以受到雨雪等天氣的影響較小。毫米波雷達可以同時探測目標物體的距離和速度，其價格和體積也相對適中，易于在車輛進行安裝。缺點在于毫米波雷達分辨率有限，很難探測障礙物的具體形狀。當(dāng)需要探測行人這種反射界面較小的物體的時候，毫米波雷達容易出現(xiàn)誤報。對于垂直方向甚至不做區(qū)分。超聲波雷達價格便宜，體積較小，技術(shù)發(fā)展較為成熟。但其依賴于聲波，傳播速度遠低于光速，不適用于高速運動的汽車。其本身探測距離較短，而且只能探測到一定范圍內(nèi)有無障礙物及障礙物的距離，無法判斷障礙物的形狀及具體的位置，目前超聲波雷達主要用于停車等低速場景。C-V2X，即車路協(xié)同是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，允許車輛通過通信信道彼此共享信息。其需要路面以及其他車輛也配有相同設(shè)備，十分依賴基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。目前C-V2X基礎(chǔ)設(shè)備仍在建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋度低，尚不能廣泛應(yīng)用于自動駕駛場景中。高精度地圖可以為自動駕駛提供自變量和目標函數(shù)的功能。其精度可以精確到每個車道的具體導(dǎo)向，甚至彎道的曲率，坡度的斜率等毫米級信息。但地圖測繪涉及國家安全，國內(nèi)管理嚴格。中國高精度地圖測繪需要甲級資質(zhì)，僅有百度、高德、華為、四維圖新等十余家公司具備，目前覆蓋的道路也非常有限。1.2.2.純視覺路線關(guān)山難越，多傳感器融合是大勢所趨量產(chǎn)車自動駕駛領(lǐng)域，純視覺路線龍頭特斯拉構(gòu)建行業(yè)壁壘。特斯拉基于攝像頭+毫米波雷達的“純視覺路線”，具有全球領(lǐng)先的研發(fā)能力和最豐富的用戶數(shù)據(jù)積累。自動駕駛的算法核心是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)，需要通過海量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，尤其是對于攝像頭獲取圖像的識別和處理，因此測試里程收集的數(shù)據(jù)量成為決定公司實力最重要的因素之一。根據(jù)特斯拉2022年各季度生產(chǎn)和交付報告顯示，2022年累計交付車輛高達131萬輛，新能源汽車銷量穩(wěn)居世界第一，其中上海超級工廠交付71萬輛，占全球交付量一半以上，積累了遠超競爭對手的數(shù)據(jù)量。依靠純視覺路線，競爭者難以挑戰(zhàn)其地位。多傳感器融合路線彎道超車，是自動駕駛發(fā)展的創(chuàng)新之路。不同類型的傳感器各有優(yōu)劣，因而單一的傳感器難以滿足復(fù)雜的自動駕駛各類應(yīng)用場景。多傳感器信息融合(MSF)利用計算機技術(shù)，對多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進行多層次、多空間的組合處理不同傳感器優(yōu)勢互補，在不同使用場景中發(fā)揮各自功能，從而有效地提高系統(tǒng)的冗余度和容錯性，最終幫助做出有效判斷和決策。1.3.挖掘市場剛需，車規(guī)級對激光雷達有哪些要求？車規(guī)級激光雷達產(chǎn)品國際標準趨于完備，國內(nèi)標準加速修訂中。車載激光雷達是一種主動傳感器，對于車規(guī)級自動駕駛產(chǎn)品，首先考慮就是所發(fā)射的激光是否安全，避免對周圍的人員產(chǎn)生危害。目前國際標準包括IEC60825-1國際激光產(chǎn)品安全標準，IATF16949質(zhì)量管理體系，ANSIZ136.1美國國家標準協(xié)會安全指南文件等。其中IEC60825-1是全球接受度最高的文件。針對國內(nèi)，激光雷達尚沒有統(tǒng)一行業(yè)標準，廠商之間的所采用的標準也不盡相同。例如速騰聚創(chuàng)的整機測試要滿足IATF16949質(zhì)量管理體系、IEC60825激光產(chǎn)品安全要求，能經(jīng)受住-40℃至105℃工作溫度，并符合PPAP（生產(chǎn)件批準程序），以及客戶的DV/PV試驗（電子電器試驗）等要求。2.從工作原理看激光雷達2.1.測距原理：dTOF是主流，F(xiàn)MCW尚在預(yù)研激光雷達按測距原理分類可以分為飛行時間法（TOF）和連續(xù)調(diào)頻波法（FMCW）。飛行時間法TOF中主流采用的是直接飛行時間法dTOF，其工作原理是，測量發(fā)射激光后其與反射波波脈沖信號之間的時間間隔，即測量激光脈沖來回的往返時間T，即可得到目標距離S=CT/2，其中C為光在空氣中的傳播速度。由于激光脈沖持續(xù)時間極短、瞬時功率較高、耗時較短，因此能夠探測到更遠距離的目標的同時也能保持較高測量頻率。同時其計時精度不會因距離改變而發(fā)生改變，是目前激光雷達廠商采用的主流方案。此外還有一種iTOF間接式測量法，使用發(fā)射正弦波/方波與接收正弦波/方波之間相位差來反推時間。連續(xù)調(diào)頻波法FMCW的測距原理為發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光，通過回波信號的延時獲得差拍信號頻率對應(yīng)出飛行時間，通過距離公式反推目標物距離并通過多普勒頻率公式測算目標物速度。其不會受到太陽光等干擾，抗干擾能力更強、激光峰值發(fā)射功率能夠穩(wěn)定在較低水平（100mW），可以獲得每個像素的徑向速度。通過FMCW技術(shù)，激光雷達的視距可以擴展至1,000米或者2,000米，大大提高激光雷達的測距范圍。但FMCW的激光雷達對激光器的要求非常高，同時其的信號解算又相當(dāng)復(fù)雜，在技術(shù)上目前仍具有挑戰(zhàn)。另外其作為測距方式，與成熟的機械式掃描方式并不完全匹配，整體難以通過車規(guī)級認證。無形之中增加了設(shè)計和制造的難度，造成成本較高。預(yù)計在2024年左右可以實現(xiàn)量產(chǎn)。2.2.基本模塊：四大單元相輔相成，固態(tài)化、集成化是未來趨勢2.2.1.發(fā)射單元：905nm成熟工藝，1550nm未來可期LiDAR的激光器可以分為以光纖激光器為代表的1550nm（遠波紅外，SWIR）激光器和以半導(dǎo)體激光器為代表的905nm（近紅外，NIR）激光器。其中，近紅外激光器依據(jù)發(fā)光原理的不同，又可分為邊發(fā)射激光器（EEL），垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和固體激光器。905nm器件較為成熟，1550nm是未來發(fā)展方向。傳統(tǒng)的905nm可以使用廉價的硅基CMOS作為接收端，其光噪聲和控制信號比較平穩(wěn)，但是905nm測距受限在150米以內(nèi)。由于出于安全角度要選用一級的能量（只能實現(xiàn)150m)，近紅外波段僅適用于乘用車。商用車至少需要300米探測距離，就需要用到1550nm的光源。遠波紅外激光在空氣中的衰減性更弱，進入人的視網(wǎng)膜之后無法聚焦不會傷害眼睛晶體，可以在保證安全基礎(chǔ)上人為增加能量，增大探測距離。但是，遠波紅外光源必須使用較為昂貴的銦鎵砷（InGaAs）作為接收端，其具有生產(chǎn)工藝難，激光器價格高的缺陷。此外探測距離遠意味著功率大，這也對芯片散熱能力以及封裝提出了更高要求。對905nm工藝而言，VCSEL替代EEL是方向，固體激光器尚不成熟。目前，成熟的近紅外工藝(905nm等)主要的激光發(fā)射器為邊發(fā)射激光器(EEL)和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。其中邊發(fā)射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs脈沖激光二極管。其芯片結(jié)構(gòu)由單通道發(fā)展到4通道，甚至6通道或8通道。具有高的峰值功率和高光電轉(zhuǎn)換效率，由單通道結(jié)構(gòu)約75W提高到多通道結(jié)構(gòu)400W甚至近千瓦。但其缺點是由于其發(fā)射口長寬尺寸不同，發(fā)出的光斑為橢圓形，需要額外的光束整形光學(xué)元件。其光譜發(fā)散也更寬。VCSEL相對EEL，其諧振腔相對較短以便于陣列化、集成化、芯片化，光斑更接近圓形，免去EEL的橢圓光斑整形溫度敏感性低，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。在未來定制化后可以進一步壓縮量產(chǎn)成本。但是其峰值功率低于EEL，需要配合更加靈敏的接收器件。固體激光器是閃光式車載激光雷達（Flash）技術(shù)路線的激光光源方案。用于FlashLiDAR的固體激光光源固體激光器需要很昂貴的激活介質(zhì)(各種復(fù)雜的晶體)，在設(shè)計和工藝上具有很大的挑戰(zhàn)，首先需要形成大角度視場(如125°x25°)均勻照射視場，這需要將固體激光MW級點光源通過特殊的光場勻化技術(shù)進行勻化，在三維空間形成均勻照射大視場。其次，需要讓固體激光器滿足車規(guī)級高低溫、震動、壽命等可靠性要求。光纖激光器與半導(dǎo)體激光器不同的地方主要在諧振腔。半導(dǎo)體激光器使用不同介質(zhì)的分界面作為反射面，從而形成諧振腔。而光纖激光器直接使用光纖作為諧振腔。大氣穿透能力強，人眼安全性高，峰值功率可達上百甚至上千瓦，單色性好是激光光源的顯著特點，但是激光雷達在光源及探測器成本、體積、溫度穩(wěn)定性以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。其更新頻率約在10赫茲，但是汽車高速行駛狀態(tài)至少要達到25赫茲，影響成像的實時性。2.2.2.接收單元：EEL配合APD，VCSEL配合SPAD/SiPM使用激光雷達按照接收端可以分為雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）和光電倍增管。其中，單光子雪崩二極管SPAD和雪崩光電二極管APD屬于同族的光電探測器，主要是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電增益，從而產(chǎn)生較大（大約100倍）的輸出電流。一般來說，在不超過反向擊穿電壓時，反向電壓越高，增益就越大。光電倍增管SiPM是多個SPAD的集成器件。SPAD相對雪崩二極管（PAD），靈敏度和工作效率更高。APD和SPAD工作機制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。APD工作在擊穿電壓附近（<擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為∞），可以實現(xiàn)單光子觸發(fā)。因此，SPAD具有比APD更高的靈敏度。激光強度更高的EEL可以配合APD使用，而VCSEL可以搭配更靈敏的SPAD。基于SPAD可以檢測到單個光子，因此可以做成光子計數(shù)器，集成了TDC的SPAD不需要再進行點云處理，直接可以輸出深度圖像。APD相較SPAD受噪聲影響較小，性能更加穩(wěn)定。1）如果背景光噪聲較強，SPAD會由于頻繁的誤觸發(fā)而處于一種“疲勞”的狀態(tài)，點云噪點會明顯增多；2）高溫會進一步影響SPAD的噪聲水平，在原有的暗計數(shù)、后脈沖效應(yīng)、串?dāng)_等不利因素的基礎(chǔ)上，加劇性能的惡化。因此，在夜晚等沒有太強背景光的場景下，高性能SPAD的表現(xiàn)優(yōu)于APD，但在太陽光強烈、極端溫度的環(huán)境下，現(xiàn)有SPAD的綜合表現(xiàn)卻是顯著低于APD的。集成后的SiPM可以有效應(yīng)對強光，但工藝尚不成熟。光電倍增管SiPM是多個SPAD的集成為一個像素，能夠產(chǎn)生強度效果，可以獲得更高的動態(tài)范圍以應(yīng)對強光場景。但像素單元較大，較難做集成化，會導(dǎo)致芯片面積增大、工藝難度增加等問題。2.2.3.掃描單元：機械式+半固態(tài)較為成熟，純固態(tài)式前路可期掃描單元按照技術(shù)架構(gòu)可以分為整體旋轉(zhuǎn)的機械式激光雷達、收發(fā)模塊靜止的半固態(tài)激光雷達以及固態(tài)式激光雷達。其中，半固態(tài)激光雷達具有微機電系統(tǒng)（MEMS）、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡三種方案。固態(tài)激光雷達包括光學(xué)相控陣（OPA）和閃光激光雷達（FLASH）。2.2.3.1.機械式：FOV360°全覆蓋，技術(shù)相對成熟機械式激光雷達上車最早，至今市場份額占據(jù)最多。機械激光雷達，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，達到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。在工作時豎直排列的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射，實現(xiàn)垂直角度的覆蓋，同時在高速旋轉(zhuǎn)的馬達殼體帶動下，實現(xiàn)水平角度360度的全覆蓋。目前，國內(nèi)外主流廠商包括Velodyne、鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等。結(jié)構(gòu)升級遭遇瓶頸，目前尚無車規(guī)級產(chǎn)品上市。機械是激光雷達的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)360°的廣角探測范圍，而且探測精度也比較高，目前最高可以達到128線。但是其缺點也相對突出，機械激光雷達使用機械部件旋轉(zhuǎn)來改變發(fā)射角度，這樣導(dǎo)致體積過大，為激光器準直的難度隨線數(shù)直線上升，且長時間使用電機損耗較大。此外為了實現(xiàn)360°的視野探測范圍，不得不將碩大的激光雷達放置在車頂，影響美觀。受限于高頻轉(zhuǎn)動和復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)，機械式平均工作時長僅有1000-3000小時，與車規(guī)級設(shè)備最低13000小時的要求相去甚遠。此外，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本壓縮空間也逐步縮小。目前16線激光雷達的售價約為2.6萬（Velodyne）/3萬（速騰聚創(chuàng)）人民幣，32線激光雷達售價約為3萬（速騰聚創(chuàng)）/13萬（鐳神智能）人民幣。2.2.3.2.MEMS：單振鏡實現(xiàn)小型化，未來主流方向之一微機電系統(tǒng)（MEMS）全稱MicroElectromechanicalSystem，是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。基于MEMS的微振鏡利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，不需要機械式旋轉(zhuǎn)電機，而是以電的方式來控制光束。其核心是一個微米尺度的振鏡，通過一個纖細的懸臂梁在橫縱兩軸高速周期震動，從而改變激光反射方向并實現(xiàn)掃描。MEMS已經(jīng)成為未來發(fā)展的重要方向，也是最有優(yōu)勢的細分領(lǐng)域之一。MEMS激光雷達由于僅有單個光源而大大減小了器件體積和功耗。其光路結(jié)構(gòu)簡單，運動部件減少，可靠性相較機械式激光雷達提升很多。同時減少了激光器和探測器數(shù)量，成本大幅降低。其壽命在10000至12000小時以上，可以通過車規(guī)級認證。其缺點在于振鏡會造成產(chǎn)品的不穩(wěn)定性：支撐振鏡的懸臂梁角度有限，覆蓋面很小，所以需要多個雷達進行共同拼接才能實現(xiàn)大視角覆蓋，這就會在每個激光雷達掃描的邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變與重疊，不利于算法處理。另外，懸臂梁很細，機械壽命也有待進一步提升。2.2.3.3.轉(zhuǎn)鏡/棱鏡技術(shù)：結(jié)構(gòu)簡單相對低功耗，壽命長可靠性高轉(zhuǎn)鏡激光雷達最早應(yīng)用于車規(guī)級產(chǎn)品，目前是最主流的半固態(tài)方案。轉(zhuǎn)鏡LiDAR由橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和縱軸轉(zhuǎn)動的鏡子組成，通過橫軸棱鏡不斷旋轉(zhuǎn)，使光源在目標平面上不斷水平掃描，而縱軸擺鏡可以不斷改變光源的垂直方向。因此轉(zhuǎn)鏡激光雷達僅需一束光源就可以完成機械式幾十個光源才能完成的掃描任務(wù)。相對于機械式激光雷達，其功耗較低，同時又具有滿足車規(guī)級要求的壽命與可靠性。但其由于需要極高的轉(zhuǎn)動頻率需要成百上千次的轉(zhuǎn)動，對機械部件的壽命構(gòu)成了威脅。其單個光源需要等效機械式雷達幾十線束的效果，也提高了光源自身的能量要求。棱鏡技術(shù)代表玩家為大疆覽沃。其原理為將兩個有斜面的柱狀鏡頭組合，可以利用光的折射控制激光的掃描方向，最終掃描出一個花瓣狀的區(qū)域。調(diào)整兩個棱鏡的轉(zhuǎn)速就可以控制掃描的區(qū)域，其掃描路徑不會重復(fù)，理論上如果掃描時間足夠久，棱鏡激光雷達可以掃描出前方每一個點的距離，具有高于其他技術(shù)路徑的視場覆蓋率和等效線數(shù)。例如小鵬P5的配備兩顆livox棱鏡式激光雷達HAP，探測距離達150m@10%，橫向120°FOV，具備等效144線的點云密度，角度分辨率高達0.16°，中心區(qū)域刷新率20Hz，可實現(xiàn)高速公路、城區(qū)道路等場景下遠處障礙物的檢測，提升輔助駕駛行車安全。但是棱鏡技術(shù)點云分布中央密集，邊緣稀疏，且控制棱鏡轉(zhuǎn)動難度較高。目前僅大疆覽沃實現(xiàn)量產(chǎn)。2.2.3.4.OPA：產(chǎn)品小型化，無需機械掃描光學(xué)相控陣原理類似干涉，通過改變發(fā)射陣列中每個單元的相位差，合成特定方向的光束。經(jīng)過這樣的控制，光束便可在固定位置即實現(xiàn)對不同方向進行掃描。雷達精度可以做到毫米級，且順應(yīng)了未來激光雷達固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點在于如何把單位時間內(nèi)測量的點云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。目前真正投入使用的主要是美國的Quanergy公司。2.2.3.5.FLASH：類照相機模式，機遇與挑戰(zhàn)并存FLASH閃光激光雷達原理類似照相機，但感光元件與普通相機不同，每個像素點可以記錄光子飛行時間信息。通過在短時間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過高度靈敏的接收器實現(xiàn)對環(huán)境周圍圖像的繪制。其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸壓縮空間較大和數(shù)據(jù)豐富的特點，是目前純固態(tài)激光雷達最主流的技術(shù)方案。然而受限于需要在有限功率下發(fā)射大面積的激光，其不得不降低單位面積上激光的強度，勢必會影響到探測精度和探測距離。因此還無法完成全路況的輔助駕駛，僅在較低速的無人外賣車、無人物流車等領(lǐng)域應(yīng)用。代表品牌包括Ibeo、大陸、Ouster、法雷奧等。2.2.4.信息處理單元：集成化方向發(fā)展，SoC替代FPGA是行業(yè)趨勢激光雷達接收的信號需要在處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型?，F(xiàn)階段主控芯片F(xiàn)PGA為行業(yè)主流，遠期企業(yè)自研SoC有望逐步替代。目前FPGA主控芯片市占率較高，但隨著主流廠商對于性能及整體系統(tǒng)需求的提升，下一步的發(fā)展方向逐步向片上集成芯片（SoC）遷移。將探測器、前端電路、算法處理電路、激光脈沖控制等幾個不同模塊集成在一塊芯片內(nèi)，能夠同時進行數(shù)據(jù)的采集與處理，甚至直接輸出點云圖像。國內(nèi)外的SoC玩家主要包括禾賽科技、Mobileye、英特爾等。伴隨計算規(guī)模與存儲容量的增長，未來SoC將具備更高的集成度和更清晰的點云質(zhì)量，或?qū)⒅鸩酱嬷骺匦酒現(xiàn)PGA。3.從產(chǎn)業(yè)進程看激光雷達3.1.下游需求：市場規(guī)模達百億美元，中國是最大市場之一下游需求刺激行業(yè)快速發(fā)展，激光雷達市場規(guī)模有望達百億美元。受益于無人駕駛、高級輔助駕駛（ADAS）和服務(wù)機器人領(lǐng)域的需求，有望迎來高速增長期。據(jù)Velodyne預(yù)測，2022年智能駕駛將占總市場規(guī)模的60.5%，成為激光雷達產(chǎn)業(yè)最大的增長極，工業(yè)、無人機、機器人領(lǐng)域各占比24.4%、8.4%、4.2%。根據(jù)沙利文的統(tǒng)計及預(yù)測，受無人駕駛車隊規(guī)模擴張、激光雷達在高級輔助駕駛中滲透率增加、以及服務(wù)型機器人及智能交通建設(shè)等領(lǐng)域需求的推動，激光雷達整體市場預(yù)計將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，至2025年全球市場規(guī)模有望達131.1億美元。中國是激光雷達未來的最大市場之一。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測，中國將是全球最大的自動駕駛市場，也是高級輔助駕駛領(lǐng)域全球最大的新車銷售市場。由于人口老齡化和產(chǎn)業(yè)升級的影響，需要在減少人力支出的情況下增加生產(chǎn)效率，通過無人駕駛、高級輔助駕駛、服務(wù)型機器人通過機器自動化工作來減少人力支出。3.1.1.智能駕駛市場：ADAS+ADS雙輪驅(qū)動，激光雷達為智能駕駛畫龍點睛高級輔助駕駛市場：成本不斷下降，商業(yè)化進程有望提速。全球范圍內(nèi)L3級輔助駕駛量產(chǎn)車項目當(dāng)前處于快速開發(fā)之中。世界各地交通法規(guī)的修訂為L3級自動駕駛技術(shù)商業(yè)化落地帶來機會。2020年6月聯(lián)合國的歐洲經(jīng)濟委員會通過《ALKS車道自動保持系統(tǒng)條例》，這是全球范圍內(nèi)第一個針對L3級自動駕駛具有約束力的國際法規(guī)。隨著激光雷達成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達到車規(guī)級要求，未來越來越多高級輔助駕駛量產(chǎn)項目將實現(xiàn)量產(chǎn)；根據(jù)Forst&Sullivan的研究報告，2021-2026E、2026E-2020E全球乘用車新車市場ADAS車輛銷售CAGR有望達75.5%、30.5%，其中中國增速最高，分別為92.2%/29.3%。激光雷達在ADAS應(yīng)用：海內(nèi)外持續(xù)發(fā)展，2025年全球市場規(guī)模有望達6.2億美元。2020年10月，百度在北京全面開放無人駕駛出租車服務(wù)，在13個城市部署總數(shù)測試車輛，并且與一汽紅旗合作實現(xiàn)了中國首條L4級自動駕駛乘用車生產(chǎn)線建設(shè)，具備批量生產(chǎn)能力。根據(jù)Forst&Sullivan研究估計，2026年ADAS領(lǐng)域使用激光雷達