激光雷達(dá)行業(yè)市場分析

激光雷達(dá)行業(yè)市場分析1.從發(fā)展歷程看激光雷達(dá)激光雷達(dá)（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(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達(dá)厘米級，激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢就是"精準(zhǔn)"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(dá)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(dá)，如今，激光雷達(dá)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(dá)緣何興起1.1.1.生根發(fā)芽，吸引國內(nèi)外勢力逐鹿藍(lán)海激光雷達(dá)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(dá)?？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(dá)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(jì)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(dá)的巨大潛力，以及當(dāng)時單線式固定視距激光雷達(dá)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(dá)，形狀如同“車頂飛碟”，一改之前激光雷達(dá)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(dá)，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(dá)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(dá)HDL64E的原型。第三屆DAPRA結(jié)束后的幾年里，霍爾不斷改進(jìn)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(dá)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(dá)的另一個巨頭Luminar，同年，主打固態(tài)激光雷達(dá)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(dá)公司。Waymo在2016年發(fā)布了自研的激光雷達(dá)，博世在2017年收購了美國Tetravue入局激光雷達(dá)，蔡司也在2018年投資了激光雷達(dá)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(yuǎn)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(dá)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(dá)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(dá)產(chǎn)品。萬集科技、鐳神智能、北醒光子等數(shù)十家激光雷達(dá)企業(yè)，如今已經(jīng)成為全球車載激光類額達(dá)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(dá)使用的軟硬件都需要過車規(guī)認(rèn)證。而機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)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(rèn)證。固態(tài)和混合固態(tài)（半固態(tài)）激光雷達(dá)成為了被看好的方向，其思路是改造激光雷達(dá)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(dá)被認(rèn)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(dá)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(yuǎn)”；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(dá)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)模化。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(dá)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(dá)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(rèn)證的激光雷達(dá)Scala，其使用的就是4線混合固態(tài)激光雷達(dá)路徑。但由于其線束太少，成像的可靠性和準(zhǔn)度都大打折扣。被判斷并不是激光雷達(dá)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(dá)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(dá)，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(dá)。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(dá)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(dá)，并同步宣布了合作車型為北汽極狐阿爾法S。其準(zhǔn)度和可靠性都大大超過奧迪搭載的4線激光雷達(dá)。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(dá)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(dá)公司。該車型已于2021年交付。1.2.細(xì)究技術(shù)趨勢，為什么智能駕駛離不開激光雷達(dá)？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(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、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(dá)、激光雷達(dá)、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(jìn)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(jìn)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(yán)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(dá)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(biāo)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(dá)還可以應(yīng)用于車道線檢測。優(yōu)點在于測距遠(yuǎn)、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(dá)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(dá)可以同時探測目標(biāo)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(jìn)行安裝。缺點在于毫米波雷達(dá)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(dá)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(dá)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(yuǎn)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(dá)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(biāo)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(yán)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(dá)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?yán)锍淌占臄?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(dá)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(yuǎn)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(jìn)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(dá)有哪些要求？車規(guī)級激光雷達(dá)產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)趨于完備，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)加速修訂中。車載激光雷達(dá)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(biāo)準(zhǔn)包括IEC60825-1國際激光產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，IATF16949質(zhì)量管理體系，ANSIZ136.1美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(dá)尚沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廠商之間的所采用的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)2.1.測距原理：dTOF是主流，F(xiàn)MCW尚在預(yù)研激光雷達(dá)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(biāo)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(yuǎn)距離的目標(biāo)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(dá)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(biāo)物距離并通過多普勒頻率公式測算目標(biāo)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(dá)的視距可以擴展至1,000米或者2,000米，大大提高激光雷達(dá)的測距范圍。但FMCW的激光雷達(dá)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(rèn)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(yuǎn)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(yuǎn)波紅外激光在空氣中的衰減性更弱，進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(dá)（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(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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?；赟PAD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(jìn)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(jìn)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(dá)、收發(fā)模塊靜止的半固態(tài)激光雷達(dá)以及固態(tài)式激光雷達(dá)。其中，半固態(tài)激光雷達(dá)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(dá)包括光學(xué)相控陣（OPA）和閃光激光雷達(dá)（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(dá)上車最早，至今市場份額占據(jù)最多。機械激光雷達(dá)，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(zhǔn)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)到128線。但是其缺點也相對突出，機械激光雷達(dá)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(zhǔn)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(dá)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(yuǎn)。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(dá)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(dá)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)?；贛EMS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(xì)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(xì)分領(lǐng)域之一。MEMS激光雷達(dá)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(dá)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(rèn)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(dá)進(jìn)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(dá)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(xì)，機械壽命也有待進(jìn)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(dá)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(biāo)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(dá)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(dá)，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(dá)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(dá)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(dá)HAP，探測距離達(dá)150m@10%，橫向120°FOV，具備等效144線的點云密度，角度分辨率高達(dá)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(yuǎn)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(jìn)行掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型。現(xiàn)階段主控芯片F(xiàn)PGA為行業(yè)主流，遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)程看激光雷達(dá)3.1.下游需求：市場規(guī)模達(dá)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(dá)市場規(guī)模有望達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)131.1億美元。中國是激光雷達(dá)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(dá)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(jìn)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(dá)成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達(dá)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(dá)75.5%、30.5%，其中中國增速最高，分別為92.2%/29.3%。激光雷達(dá)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(dá)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(dá)