激光雷达产业链竞争格局分析,降本和量产是关键

来源:世展网 分类:光电行业资讯 2022-09-23 18:14 阅读:7104
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2024年北京光电子产业博览会-北京光子大会INT PHOTONICS EXPO

2024-07-14-07-16

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多传感器融合成趋势,L3+阶段激光雷达后来居上

时间节点:2022 年激光雷达有望规模量产并迎来装车小高潮

上车节奏:车规是第一要义,优先选择成熟度高的转镜 /MEMS 方案

量产要素:成本限制大范围推广,中长期 Flash/OPA 成发展趋势

产业趋势:技术尚未收敛,车规和成本决定发展

产业格局:产业链日益成熟,国内厂商初露锋芒

整机厂:百家争鸣,产业链协同铸就竞争力

引言:

近期各大车企发布的新车型,均在激光雷达上面做足文章,将激光雷达作为一大卖点。比如小米的第一款汽车具体激光雷达配置是以 1 颗禾赛混合固态雷达 AT128 为主雷达,以数颗禾赛全固态雷达作为补盲雷达。理想的新车 L9 搭载的激光雷达也是由禾赛科技 AT128提供的。

蔚来的新车 ES7 搭载了来自 Innovusion 的 Falcon 激光雷达,作为 ES7 所搭载的 Aquila 超感系统的重要组成部分,将助力其实现高速、城区、泊车、换电等场景下的自动驾驶体验。小鹏的新车 G9 则搭载两颗激光雷达——速腾聚创 M1,布置在前保险杠左右两边,以形成更大的视场角,同时在车辆正前方的 ROI 区域内聚集更为密集的点云。车企已普遍规划从 L2 向 L3 级别智能驾驶进阶路径,2022 年多个激光雷达厂商已经规模量产并迎来装车小高潮。我们根据激光雷达出货量数据,测算 2025年全球车载激光雷达市场规模将达到约 70.3 亿美元,到 2027 年更是有望达到129.7 亿美元。

当前激光雷达技术路线百花齐放。“车规”是前提, 降本是中长期考量,是激光雷达从 1 到 N 阶段的关键, 2025 年将会是 L3 级别智能驾驶汽车大规模量产应用的时间节点,激光雷达价格有望降至 500 美元左右,届时 1550nm 波长、FMCW 测距方式的固态激光雷达方案将成为最终发展趋势。

文章来源:智车行家,整理自万和证券研究所报告

01

多传感器融合成趋势,L3+阶段激光雷达后来居上 

智能驾驶需要传感器满足成本、可靠性、距离、精度等不同维度的需求,由于各类传感器互有优劣,难以替代,因此多传感器融合已成为大势所趋。要实现高级别的智能驾驶,仅靠不同传感器之间简单的堆叠和并列是远远不够的,通过主次分明、有机统一的传感器融合方案,激发核心传感器之间的“化学反应”,实现更优异的感知表现,并使辅助传感器对系统整体能力做到恰到好处的补充,才是打造智能驾驶车辆感知系统的必要之举。目前对于智能驾驶的感知层融合配置,市场上主要有两大技术流派: 

◆ 一类是“摄像头主导”方案,感知系统由摄像头主导+毫米波雷达组成,轻感知重算法,以特斯拉为典型代表;◆ 另一类是“激光雷达主导”方案,感知系统由激光雷达主导+摄像头+毫米波雷达组成,重感知轻算法,以 Waymo、百度等无人驾驶型企业和蔚来、小鹏、理想等造车新势力为典型代表。“摄像头主导”方案依赖人为干预,在 L2 以及下阶段占据优势。“摄像头”方案采用“摄像头” +“算法”完全模拟“人眼”+“人脑”的纯视觉驾驶行为,依赖大量的数据训练来提高感知的准确度,在技术成熟度、成本上具备优势,但在精度、可靠性上都有局限,尤其在应对汽车高速行驶等长尾场景时,摄像头+毫米波的组合对于非标准静态的物体也有一定的识别障碍,需要驾驶员的大量干预。因此,在 L2 及以下的智能驾驶阶段,“摄像头主导”方案占据优势。现阶段特斯拉已凭借先发销量优势,通过数据积累上的高墙垒筑,在 L2 阶段便与其他新势力拉开了差距,独占绝对优势。 激光雷达:测量精度高、范围广,可以实时构建车辆周边环境 3D 模型,受限于技术难度大、成本高,目前尚未大规模量产上车。激光雷达感知性能优越,帮助提升智能驾驶安全冗余 激光雷达与对其他智能硬件传感器不是替代而是功能的补充叠加。相较摄像头和毫米波雷达,激光雷达所见即所得,能够实现三维实时感知,避开了对算法和数据的高度依赖,在探测精度、可靠性和抗干扰能力等方面具备特色优势,能够规避部分长尾场景存在的感知失灵情况,可显著提升智能驾驶系统的可靠性和冗余度,因而被大多数整车厂、Tier1 认为是 L3+智能驾驶(功能开启时责任方为汽车系统)必备的传感器。 

“激光雷达主导”方案增强感知系统冗余,助力 L3+智能驾驶的实现。“激光雷达”方案重感知重算法,精度高、抗干扰能力强,配合高精度地图更能实现精准定位。随着智能驾驶向 L3 进阶,驾驶员的参与度会大幅度减少,单纯的“眼见为实”已不再满足车辆智能驾驶的需求。激光雷达具备高精度、高可靠性,配合摄像头和毫米波雷达,能增强系统的可靠性、冗余性,有望在 L3+ 阶段成为汽车传感器中不可或缺的一部分,并且借助差异化竞争优势,也有望成为除特斯拉外的造车新势力实现弯道超车的有效手段。 

02

时间节点:2022 年激光雷达有望规模量产并迎来装车小高潮 

2021 年车企普遍规划从 L2 向 L3 级别智能驾驶进阶路径。自 2021 年起全球范围内 L3 级辅助驾驶量产车项目就处于快速开发之中:BMW(宝马)预计在 2021 年推出具有 L3 级智能驾驶功能的 BMW Vision iNEXT;Mercedes-Benz(梅赛德斯-奔驰)首款 L3 级智能驾驶系统将于 2021年在新款 S 级车型上推出;Volvo(沃尔沃)预计在 2022 年推出配备激光雷达的智能驾驶量产车型,实现没有人工干预情况下的高速行驶;Honda(本田)计划于 2021 年在其 Legend 车型上提供 L3 级智能驾驶系统。 

截至 2022 年上半年已经有汽车厂商已经推出具有 L3 级智能驾驶功能的车型:2021 年 3 月本田正式发售了全球首款获法律许可的 L3 级智能驾驶的车辆 Legend EX,可在日本本土指定路况下使用 L3 级智能驾驶功能;2022 年 3 月长安汽车发布了全新车系“引力”下的首款车型 UNI-T,实现 L3 级智能驾驶车型量产;

2022 年 4 月,宝马已经推出具备了 L3 级智能驾驶可能的全新BMW 7 系;2022 年 5 月初,奔驰宣布支持 L3 级(有条件)智能驾驶功能的 DRIVE PILOT 智能领航系统将于德国市场率先上市,涉及车型为 S 级轿车与全新纯电动 EQS。除了传统车企外,一些造车新势力像特斯拉的 ModelY 已经达到 L2+级别,国内蔚来的 ET7、小鹏的 P5 也已实现L3 级别的智能驾驶。 

小米的第一款汽车具体激光雷达配置是以 1 颗禾赛混合固态雷达 AT128 为主雷达,以数颗禾赛全固态雷达作为补盲雷达。理想的新车 L9 搭载的激光雷达也是由禾赛科技 AT128提供的。

蔚来的新车 ES7 搭载了来自 Innovusion 的 Falcon 激光雷达,作为 ES7 所搭载的 Aquila 超感系统的重要组成部分,将助力其实现高速、城区、泊车、换电等场景下的自动驾驶体验。小鹏的新车 G9 则搭载两颗激光雷达——速腾聚创 M1,布置在前保险杠左右两边,以形成更大的视场角,同时在车辆正前方的 ROI 区域内聚集更为密集的点云。

2022 年激光雷达有望规模量产并迎来装车小高潮。随着乘用车逐步发展到 L3+阶段,“视觉计算”方案不再满足智能驾驶的感知要求,乘用车市场在 2022 迎来了激光雷达装车小高潮,像小鹏新一代 P7 搭载大疆 Livox 激光雷达,该车型目前已经于 2021 年 3 月开始预售;

2021 年 12 月法雷奥官方宣布其第二代 SCALA 激光雷达将搭载于新款奔驰 S 级之上,可实现 L3 级智能驾驶;蔚来 ET7 搭载 Innovusion 图达通激光雷达在 2021 年 1 月 9 日就已经正式上市,并于 2022 年 3月 28 日开启交付;除此之外 Luminar、Cepton、Aeva、华为、大疆、速腾聚创、一径科技、禾赛科技等激光雷达公司已经拿到或正在交付前装量产订单。 

参照 Frost & Sullivan 提供的数据,2021 年约有 10 万台激光雷达被用在乘用车和无人驾驶车上,到2027 年激光雷达上车数量将达到1480万台,按照机械式、半固态/固态(MEMS、3D Flash/OPA、 FMCW)划分,机械式激光雷达将从 2021 年的$5,500 均价逐步下降到 2027 年的$2,500,MEMS和 3D Flash/OPA 激光雷达将从 2021 年的$1,000 均价逐步下降到 2027 年的$500,FMCW 激光雷达将在 2025 年首次上车,均价将从 2025 年的$1,000 下降到 2027 年的$500。 

通过“机械式 Lidar 出货量×机械式 Lidar 均价+半固态/固态 Lidar 出货量×半固态/固态Lidar 均价”来测算全球车载激光雷达的市场空间,得出 2025 年全球车载激光雷达市场规模将达到约 70.3 亿美元,到 2027 年更是有望达到 129.7 亿美元。

激光雷达在终端市场的火爆吸引着资本的目光。2021全年激光雷达领域共发生了25起融资事件,金额超过140亿元。下图为2021年以来激光雷达领域主要融资情况,具体如图所示:

资料来源:中商产业研究院整理

03

上车节奏:车规是第一要义,优先选择成熟度高的转镜 /MEMS 方案 

“车规级”认证是激光雷达从 0 到 1 阶段的前提 

车规是短期要义,是进入汽车行业的门槛。车规级是指能够通过车企的一系列认证测试,拿到项目定点资格。对于车载应用,汽车电子元件需要在极其严苛的环境下长时间地工作,加上汽车的车型生命周期较消费级产品要长得多,单个器件的失效率叠加上汽车较大的销量及长期的使用便会急剧放大,因而衍生出各类电子元器件有关生产制造和性能的特定行业标准。 

业内主要相关的车规认证标准有 IATF 16949、ISO 26262、AEC-Q 系列等,从功能、质量、稳定性等各个维度采取铁腕级标准,要求各个部件能够在多样化的压力及动态环境下保持长期稳定、高效的工作状态。

其中,AEC-Q 系列认证是车规元器件的通用测试标准和基本门槛,ISO26262 是全球公认最权威的汽车功能安全标准,IATF16949 则是世界范围内共同和唯一的汽车行业质量管理体系的基本要求,像 Quanergy、速腾聚创等已获得其认证。 

激光雷达技术差异大,暂无标准化且量化的车规级准入标准,新进入企业即使通过车规级认证,还需要经过下游汽车厂商长时间的测试和认证,才算达到“车规级”标准。一般而言,一个车规级元器件从发布到量产需经历器件规划→工程样片→量产→停产的生命周期。从器件规划到工程样片阶段,Tier 2 制定规划(Roadmap),并经与 Tier 1 及 OEM 调研后进行产品开发设计,一般需 1 年以上时间;

从工程样片到量产阶段,Tier2 厂商一方面需获取车规认证,满足量产基准要求,此过程约 1 年以上时间,另一方面需同步推进下游验证,Tier 2 先向 Tier 1 提供免费工程样片满足其预研(advance)项目设计导入,此阶段需要 1 年以上时间,接着 Tier 2 提供量产芯片/元件,Tier 1 用其进行 DV(Design validation 设计验证)。

最后采用新器件的 Tier 1 的项目SOP(Start Of Production,代表具有大批量成熟生产工艺的产品件),OEM 采用此 Tier 1 产品的车型也同步量产,此过程也需 1 年以上时间;从量产到停产阶段,一般能够保持 10-15 年的稳定供货时间。 

参照以上流程,我们可以将激光雷达产品的车规级定义为满足如下四个条件:1、产品所采用的所有电子元器件获得车规级认证(AEC-Q 系列认证);2、产品满足汽车电子设计开发要求;3、产品满足大型车企测试要求;4、产品实现批量前装。 

全产业链深度合作加快激光雷达上车进程。从激光雷达的实际上车流程来看,参照 Velodyne、 Luminar 和速腾聚创梳理,激光雷达厂商需经历 Pre-RFI(提前信息获取)→RFI(信息获取)RFQ(报价获取)→Production Contract(生产订单)四个阶段,仅考虑 Pre-RFI 到 Production Contract 阶段,激光雷达厂商需提供 Demo、A 样、B 样、C 样…、SOP 等多次样品迭代。

一般而言 Demo 和 A 样属于原型样件,主要是用于基本功能的验证和工程测试,B 样属于产品研发主要阶段,持续时间长,决定产品绝大部分功能设计,一般并引入样板线,C 样代表采用量产工艺的试生产样件,已通过相应的可靠性验证,将对生产工艺持续改进;SOP 代表具有大批量成熟生产工艺的产品件。

Velodyne 预测整个流程可能会长达两年多,若加上前期调研及立项,还有 4 月-1 年的时间;Luminar 规划的 IRIS 激光雷达从工程研发到批量生产也历时两年半。而要完成这样的流程,传统的整车厂、Tier1、Tier2 这样链式的供应商关系已经不足满足,激光雷达产业链正走向深度合作,比如 Innovusion 与上游供应商之间是在产品研发环节就进行不断的磨合,与下游整车厂蔚来在整个开发过程中,就互相进行了资金以及资源的协调,使得激光雷达的产品性能与上车速度提升更快。 

关注实际交付进度,优先选择成熟度高的 905nm 波长、ToF 测距方式的转镜/MEMS方案 

初期上车阶段,优先选择成熟度高的转镜/MEMS 方案。Yole 预测从 2018 年到 2025 年,在硬件配置上 ToF-905nm 激光雷达是技术主流,大部分 ToF 激光雷达产品采用分立器件,即发射端使用边发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)配合多通道驱动器、接收端使用线性雪崩二极管探测器(Avalanche Photodiode,APD)配合多通道跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)的方案;在扫描方式上,小范围上车主要考量能否过车规,转镜和 MEMS 是选择度最高的方案。 

车企量产落地的搭载激光雷达车型项目代表着不同激光雷达厂商的车规级能力和供应链成熟程度,因此需要关注相关供应商交付情况,从量产现状来看,Valeo 的 Scala 系列已经搭载奔驰车型量产落地,Innovusion 的猎鹰激光雷达也在 2022 年 1 月搭载蔚来 ET7 量产,Luminar、Ibeo、速腾聚创、禾赛科技、华为、大疆 Livox 均已具备乘用车项目定点订单,这些企业多以 905nm 波长、ToF 测距方式的转镜/MEMS 方案为主,已经在量产上车阶段显现优势。 

04

量产要素:成本限制大范围推广,中长期 Flash/OPA 成发展趋势 

“降本”是激光雷达从 1 到 N 阶段的关键 

价格限制激光雷达上车,“降本”是中长期考量核心。早期成熟的无人驾驶技术方案都采用了 64线机械式激光雷达,成本约在 7.5 万美元,第一款满足车规级的激光雷达 SCALA,第一代时的价格也达到 2 万美元级别,对应的车型都是百万级豪车的级别,对价格的宽容度很高,而由终端消费者买单的大量私家车,对价格敏感度则很高。

根据行业调研,激光雷达要大规模量产,94%的被调研者接受的价格在 5000 元以下,可接受价格控制在 500 元以下的占比 25%,在 500-1000 元之间的占比 39%,在 1000-5000 元之间的占比 30%。当前 MEMS、转镜、棱镜类型激光雷达的成本普遍已降至 1000 美元左右,离规模量产仍有一定距离,预计到 2025 年部分固态产品才有望突破。 

降本路径清晰,核心在于产品结构的集成化。激光雷达是由多部件构成的光机电系统,拆解激光雷达成本结构,其中光电系统成本约占激光雷达整机成本的近七成,由激光雷达收发模组、测时模组、控制模组四部分构成。除此之外,人工调试和机械装置等其他部件分别占据总成本的 25%和 8%。光电系统是激光雷达的主要成本,也是激光雷达降本的主要落脚点,我们总结激光雷达厂商的降本路径,主要分为系统结构的集成化、产业生态的国产化、产线生产的自动化和订单需求的规模化四个方向: 

◆ 系统结构的集成化:主要表现为收发端采用 VCSEL 光源+单光子探测器的组合方式,形成易于与平面化的电路芯片键合的收发阵列;扫描端固态化,采用 MEMS/Flash/OPA 方法不断减少电机、轴承带来的高昂成本;信息处理端使用集成芯片(SoC)逐步代替主控芯片FPGA 的功能,基于成熟的 CMOS 工艺最终实现探测器、前端电路、算法处理电路、激光脉冲控制等模块结构的集成化、芯片化,以达到显著降低系统的尺寸和成本的目的。

◆ 产业生态的国产化:目前激光雷达的上游玩家基本为海外厂商,像信息处理模块中的模拟芯片、主控芯片和收发端的激光器、探测器均主要由海外厂商所主导。在芯片端,以禾赛科技为代表的国内企业通过自研专用芯片和 SoC 片上系统芯片,实现更优的性能、更高的集成度、更低的生产成本;在接收端,国内已有厂商在激光器和探测器领域积极布局,未来可以通过产业生态的合作采购更低成本的国产化部件。

◆ 产线生产的自动化:激光雷达生产精密度要求很高,大量生产时人工装调面临成本高、效率低的问题,通过对生产工序进行优化、并对生产工站进行自动化或半自动化改造,可以提高了生产效率并降低生产成本。

◆ 订单需求的规模化:激光雷达最主要的舞台便是 L3 及更高阶的智能驾驶,现阶段激光雷达厂商订单规模在 10 万台左右,图达通预测过,当图达通年出货量在 10 万台时,成本将会下降到 1000 美金左右,速腾聚创也曾披露,如果订单规模达到 10 万-100 万台,则硬件价格可下探至 200-500 美元。由此可以预测到激光雷达的规模化生产将会带来其成本的大幅下降。

大规模量产阶段,1550nm 波长、FMCW 测距方式的固态激光雷达成发展趋势 

2025 年后激光雷达有望实现大规模量产。2025 年将会是 L3 级别智能驾驶车大规模量产应用的时间节点,届时激光雷达价格有望降至 500 美元左右,并最终推动激光雷达在乘用车上的大规模配置。Yole 预测 2025 年后,随着激光雷达的大规模量产和技术的逐步成熟,1550nm 波长、 FMCW 测距方式的固态激光雷达方案将成为最终发展趋势。 

05

产业趋势:技术尚未收敛,车规和成本决定发展 

从激光雷达产业发展趋势来看,我们认为技术决定性能,是激光雷达行业的“敲门砖”;车规认证可靠性,是激光雷达行业的“入场券”;而成本制约量产,是激光雷达规模化量产的“催化剂”,在产业发展的过程中主机厂商将会一直寻找性能、可靠性、成本三者可行的有效均衡。

现阶段激光雷达上车早期尚处于技术驱动阶段,性能是首要考量因素,随着技术的成熟和产业的发展,可靠性和低成本将成为接下来验证和量产阶段的角逐重心,这也是激光雷达上车和量产的决定因素。 

(一) 技术路径:技术尚未收敛,路线百花齐放

激光雷达目前尚处技术驱动阶段,技术路线百花齐放,需要随着产品的量产持续验证。按照激光雷达的构成和原理,测距原理、激光波长、发射装置、接收装置、扫描方式是激光雷达的五大技术维度,不同的维度衍生出不同的技术发展方向,下游主机厂依照这五个维度设计组合形成特色技术方案,不同的技术路径又导致激光雷达成品在测距、测速、测角、精度、范围、功耗、集成度等性能上的差异,继而决定了各主机厂的产品能力和远期潜力。 

测距原理:测距方式分为 TOF 和 FMCW

发射端:905nm 半导体激光器是主流,1550nm 光纤激光器是趋势 

从光源上看,市场上激光雷达最常用的波长方案是 905nm 和 1550nm。激光是一种单一颜色、单一波长的光,根据发生器的不同可以产生紫外线(10-400nm)到可见光(390-780nm)到红外线(760-1000000nm)波段内的不同激光。车载激光雷达波长的选择主要考量三个因素: 

◆ 人眼安全:为避免可见光对人眼的伤害,激光雷达选用的激光波长一般不低于 850nm,905nm激光工作于近红外(NIR)波段,接近可见光 360nm-750nm 频率,可穿透角膜和晶状体,聚焦在视网膜上,所以发射功率需先在在对人无害的范围内。而 1550nm 激光工作于中红外波段(SWIR),主要被角膜上的液体吸收,无法在视网膜上聚焦成点,相对更加安全。

◆ 功率上限:905nm 激光对应的器件功率受到限制,进而影响了激光雷达的探测距离和雨雾抗干扰能力;1550nm 激光更加安全,对应的功率上限相应提高,其探测距离和抗干扰能力也显著提高。

适配器件:波长与发光材料物理特性有关,905nm 激光器多用砷化镓 GaAs 作为发光材料,配备半导体激光器即可,1550nm 多用磷化铟 InP 作为发光材料,其工作波段需配备体积较大的光纤激光器。此外,特定的波长需要特定材料制成的探测器吸收,905nm 波长的激光可被硅基材料吸收,1550nm 波长的激光需要铟镓砷 InGaAs 材料才可高效率吸收。

从激光器种类上看,当前阶段主要方案有边发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)和光纤激光器。其中,前两者均属于半导体激光器,具有电光转换效率高(最高可达到 60-70%),体积小、重量轻(常用产品体积仅仅为立方厘米量级),寿命长、可靠性高(高功率亦可实现上万小时),集成度高、成本低(同一片半导体晶圆上实现大量激光二极管芯片的集成)的特点。 

◆ EEL 激光器长期占据主流。EEL 作为探测光源具有高发光功率密度的优势,但 EEL 的激光是沿平行于衬底表面发出,其发光面位于半导体晶圆的侧面,使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤,往往只能通过单颗一一贴装的方式和电路板整合,而且每颗激光器需要使用分立的光学器件进行光束发散角的压缩和独立手工装调,极为依赖产线工人的手工装调技术,生产成本高且一致性难以保障。

◆ VCSEL 激光器逐步成熟。VCSEL 出光方向垂直于衬底表面,发光面与半导体晶圆平行,具有面上发光的特性,其所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合,在精度层面由半导体加工设备保障,无需再进行每个激光器的单独装调,且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合,提升光束质量。

传统的 VCSEL 激光器存在发光密度功率低的缺陷,导致只在对测距要求近的应用领域有相应的激光雷达产品(通常<50m)。近年来国内外多家VCSEL 激光器公司纷纷开发了多层结 VCSEL 激光器,将其发光功率密度提升了 5-10 倍,这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提供了可能。

◆ 光纤激光器配套 1550nm 发光功率要求。光纤激光器体积较大,由种子源、泵浦源、以及增益光纤构成,所生产的激光光束质量优异,功率高、调制速度快,可以实现超远距离感测,但价格也较为高昂,主要取决于 1550nm 技术的突破和需求的放量。

综合而言,905nm 半导体激光器是当下的主流选择,1550nm 光纤激光器是未来发展趋势。波长为 905nm 的激光雷达采用 EEL/VCSEL 半导体激光器为发射源,具有成本较低和技术成熟的优势,但考虑到人眼安全要求,激光功率受到明显限制,使得传感器在探测距离和信噪比上物理受限。波长为 1550nm 的激光雷达一般配备光纤激光器,其发出的激光远离人眼吸收的可见光光谱,安全功率达到 905 纳米的 40 倍,可以发射更高的功率增加探测距离、点云分辨率和抗干扰能力,但无法被常规的硅探测器吸收,需要外部电源、复杂的电子控制装置以及配套的接收器,因此体积庞大、技术面临着更大的复杂性。 

接收端:APD 是当前主流,SPAD/SiPM 是未来趋势 

光电探测器利用光电效应将光信号转变为电信号。灵敏度、反应速度和抗干扰性是衡量光电探测器的主要指标,从类别上区分,传统探测器为 PIN 光电二极管和 APD(雪崩二极管),新型探测器有 SPAD(单光子雪崩二极管)和 SiPM(硅光电倍增管);从材料上区分,探测材料有 Si基 CMOS 工艺,主要用于 905nm 波长探测,也有灵敏度较高的 InGaAs 探测器,主要用于 1550nm波长探测。一般而言,光电探测器的选择取决于其接收到的激光波长。 

◆ PIN PD:针状光电二极管,由 P-I-N 结组成,工作于反偏压,无增益,探测距离较短;

◆ APD:雪崩二极管,PN 结加大反向电压后会产生 雪崩 现象,在低于击穿电压的偏置电压下工作,对微弱光电流产生放大作用,但工作电压较大,噪声也被放大;

◆ SPAD:单光子雪崩二极管,工作在盖革模式(远高于击穿电压的反向偏置电压)下的雪崩二极管,具有单光子检测的能力;

◆ SiPM:硅光电倍增管,由 APD 阵列组成,具有增益高、工作偏置电压低、受温度影响小、对磁场不敏感、能够实现高度集成化的优势。

905nm 激光器探测 APD 是主流方案,SPAD/SiPM 是未来趋势。APD 采用分立器件模式,技术较为成熟,在 905nm 探测的 PDE 可优化达到 80%,成为目前使用最为广泛的光电探测器件。单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)在增益能力、大尺寸阵列的实现和易用性上较 APD 更加优越:

1)SPAD 或者 SiPM/MPPC 是工作在盖革模式下的 APD,理论上增益可达到 APD 的 100 万倍以上,但系统成本与电路成本均较高;

2)SiPM 是多个 SPAD 的阵列形式,可通过多个 SPAD 获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成 CMOS 技术,具备规模量产的成本优势;3)由于 SiPM 工作电压较低,不需要高压系统,易于与主流电子系统集成,内部的百万级增益也使 SiPM 对后端读出电路的要求更简单。 

扫描方式:半固态率先上车,纯固态为最终趋势 

从线束转向(或称扫描)方式来看,激光雷达技术路径正朝着机械式-半固态-纯固态的方向不断迭代。其中,机械式激光雷达产品已经在无人驾驶领域得到了广泛应用;半固态式激光雷达式是机械式和纯固态式的折中方案(较机械式只扫描前方一定角度内的范围;较纯固态式仍有一些较小的活动部件),是目前阶段量产装车的主流产品,具体包括微振镜方案、转镜、棱镜方案;纯固态激光雷达工艺级别最高,具体包括相控阵(OPA)方案、Flash 方案等,有望成为终极方案。 有专业人士表示:全固态激光雷达比混合固态雷达视角更大、盲区更小,适于用作补盲,小米的这一配置优于目前一些车型用混合固态雷达补盲的方案。

棱镜:大疆一枝独秀,绑定小鹏 P5

原理:棱镜激光雷达也称为双楔形棱镜激光雷达,内部包括两个楔形棱镜,激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转,通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转,累积的扫描图案形状若花朵,而并非一行一列的点云状态。 

性能:相比 MEMS 微振镜和转镜方案,棱镜激光雷达可以通过增加激光线束和功率实现更高的精度和更远的探测距离,不过也存在中心区域点云密集,两侧点云相对稀疏的情况,机械结构也相对更加复杂,体积较前两者更难以控制,存在轴承或衬套的磨损等风险。 

应用:目前发力棱镜激光雷达的主要有大疆旗下的 Livox 览沃,从车规级应用来看,小鹏 P5 配备 2 颗大疆 Livox 车规级棱镜式激光雷达,另外大疆 Livox 也获得了一汽解放量产项目的定点。 

06

产业格局:产业链日益成熟,国内厂商初露锋芒 

产业链上下游共振,生态模式逐步成熟。车载激光雷达上游为光学和电子元器件,中游为激光雷达整机厂,下游主要由整车厂(ADAS 车企、Robotaxi/Robobus 自动出行服务商)和 Tier1 厂商组成。上游光电器件厂商的产品性能和成本不断改进,中游激光雷达主机厂技术路径快速迭代,共同推进激光雷达在车载市场的蓬勃发展。 

(一) 上游:海外厂商耕耘已久,收发模块国产化可期

激光雷达上游环节较多,按光电器件可分为扫描部件、收发部件(激光器、探测器)、光学部件(准直镜、分束器、扩散片、透镜、滤光片)和信息处理部件(模拟芯片、FPGA),决定着激光雷达的性能、成本与可靠性。尽管当前整机厂商的激光雷达的路线方案各有不同,但在光电器件的选择上具备共性,因此能够与主流整机厂定点合作的上游光电器件厂商具备较高的成长确定性。 

收发部件:国内已有布局,国产化替代可期。激光器和探测器是激光雷达重要收发部件,常年由海外大厂主导,近年来国内厂商开始布局。 

发射端激光器代表企业包括国外的艾迈斯欧司朗、Lumentum等,其在消费电子市场耕耘已久,并迅速延伸至新兴的汽车领域并占据优势。国内企业主要有炬光科技、长光华芯、瑞波光电、纵慧光电等,相关产品性能已逐步接近海外水平,有望加速国产替代。Yole 数据显示,2019 年全球 VCSEL 市场 Lumentum 占据49%的市场份额,II-VI、艾迈斯欧司朗 分别以 14%、11%的份额紧随其后,国内企业纵慧光电达到 2%的占比。 

接收端探测器主要由 Hamamatsu(滨松)、ON Semiconductor(安森美)、Sony(索尼)等厂商布局并主导市场。国内供应商灵明光子、宇称电子、芯辉科技已前瞻性地布局 SPAD、SiPM 等新技术。QYResearch 数据显示,2021 年全球 Si-APD 市场规模约77.66 百万美元,预计 2028 年将达到 116.99 百万美元,复合增长率为 6.45%。其中,中国市场份额为 5.06%,日本为 35.26%,First-sensor、滨淞和 Kyosemi Corporation(日本京都半导体)前三大厂商占有全球 62.10%的市场份额。 

信息处理:海外垄断,国产差距较大。主要为信息处理部分的主控芯片和模拟芯片,基本由海外厂商垄断,国内厂商普遍还存在较大差距。 主控芯片一般采用 FPGA,由 Xilinx(赛灵思)、英特尔旗下 Altera、Lattice(莱迪思)三家海外厂商领跑,国内主要的供应商有安路科技、紫光国微等。 

模拟芯片包括模数转换器、放大器等,用于激光雷达中的光电信号转换和发光控制,海外的 TI (德州仪器)、ADI(亚德诺)、skyworks(思佳讯)、Infineon(英飞凌)是行业领导者,国内模拟芯片供应商有富满微、上海贝岭、华润微、圣邦股份等,在车规级产品丰富度和技术水平上正在加速追赶。 

光学部件:技术成熟叠加成本优势,率先迎来发展机遇。激光雷达的光学部件主要应用于扫描系统以及收发单元,涉及的产品包括发射端的准直镜、扩散片、分束器,接收端的透镜、滤光片、分束器以及扫描端的扫描镜等,代表性厂商有舜宇光学科技、炬光科技、永新光学、蓝特光学、水晶光电、福晶科技、腾景科技等。

舜宇光学科技在激光雷达领域推出应用于收发端的镜头产品和多边棱镜等核心零件,在 2021 年获得超过 20 个定点合作项目,其中 2 个项目已实现量产;炬光科技多项激光雷达发射模组和光学元器件项目正在同步进行,面光源的光束扩散器及高峰值功率固态激光雷达光源模块已于2020年进入量产阶段;永新光学先后与Quanergy、禾赛、Innoviz、麦格纳、Innovusion、北醒光子等企业建立合作,获得定点合作项目超 10 家, 2021 年度激光雷达业务收入超千万元;福晶科技配合华为开发激光雷达光学元件,目前实现小批量出货。 

光学部件方面,激光雷达公司一般为自主研发设计,然后选择行业内的加工公司完成生产和加工工序,国内供应链的技术水平已经完全达到或超越国外供应链的水准,同时具备贴近下游市场的优势,在成本方面也更具竞争力,已经可以完全替代国外供应链和满足产品加工的需求,有望借激光雷达之东风率先收益。 

07

整机厂:百家争鸣,产业链协同铸就竞争力 

中游整机厂竞争激烈,市场格局百花齐放。当前激光雷达技术路径尚未收敛,仍处于发展阶段,正呈现出百花齐放的竞争格局。其参与方可分为两大类:一类是从机械式向半固态式方案过渡的厂商,以 Velodyne、禾赛科技、速腾聚创为典型代表。早期面向 Robotaxi 或者智能驾驶实验场景,成为传统机械式激光雷达的先驱者,近年来开始推出半固态激光雷达,寻求在乘用车场景的应用;另一类是直接锁定半固态或纯固态的厂商,其中半固态的有 Valeo、Innoviz、Innovusion、 Luminar、华为、镭神智能、大疆 Livox,全固态的有 Ouster、ibeo、大陆、Quanergy。 

海外企业先行,国内厂商快速崛起。国外激光雷达产业起步较早,包括以老牌机械式激光雷达先行者 Velodyne、法雷奥、IBEO 及半固态/固态方案后起之秀 Luminar、Ouster、Innoviz 等。2020 年以来,随着 Velodyne、Luminar 等 8 家海外知名激光雷达公司分别通过 SPAC 合并上市,海外激光雷达产业随之进入更加成熟的阶段。

国内激光雷达厂商后来跟上,主要有禾赛科技、速腾聚创、北科天绘、镭神智能,万集科技等,采用 EMES 方案的一径科技、以及科技型企业大疆 Livox、华为。截止 2021 年 9 月,全球汽车与工业领域激光雷达市占率前三为法雷奥(28%)、速腾聚创(10%)、Luminar(7%),速腾聚创已获客户订单数位居全球第二。此外,国产化厂商大疆 Livox、华为、禾赛科技市占率分别为 7%、3%、3%。国内厂商快速崛起,有望在未来赶超海外厂商。 

主机厂与 OEM 和 Tier1 高度捆绑,产业链生态成为竞争关键。由于激光雷达技术不确定性高、产品测试周期长,为保障激光雷达稳定生产,下游车企和 Tier 1 供应商多采取投资的方式,与激光雷达厂商达成产品设计、测试、生产的高度捆绑,通过长期稳定的合作关系,形成较强的产业链协同性和竞争力,主机厂借助长期稳定的合作更能提前锁定订单,加快激光雷达上车速度,形成长期竞争优势。 

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