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(chǎn)的首選方案。MEMS微振鏡本質(zhì)上是一種硅基半導(dǎo)體元器件，其特點是內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面，采用靜電或電磁驅(qū)動方式，將以電機為主的掃描系統(tǒng)換成MEMS驅(qū)動的鏡片，實現(xiàn)激光雷達的掃描。MEMS作為較為成熟的半導(dǎo)體元件具備大規(guī)模生產(chǎn)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(jié)構(gòu)。MEMS的核心部件MEMS微振鏡屬于震動敏感型結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中調(diào)試難度較大，依舊存在部分手工調(diào)節(jié)過程，難以滿足大批量、標準化、低成本、快速生產(chǎn)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(guān)。但MEMS振鏡的震動存在物理極限，進而導(dǎo)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(guān)，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(guān)，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(guān)。Flash激光雷達的成像原理與攝像機類似，其在短時間內(nèi)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(nèi)，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(shè)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(dǎo)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(dǎo)致只在近距離探測領(lǐng)域有相應(yīng)的激光雷達產(chǎn)品（通常<50m）。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，這為應(yīng)用VCSEL開發(fā)長距激光雷達提供了可能。“縮小掃描角度以聚焦”、“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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(cè)重點在探測距離和掃描角度之間轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)品為速騰聚創(chuàng)M1。“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。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(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。二、Ouster：逆浪而行的數(shù)字激光雷達堅持芯片化集成技術(shù)，產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)信息，公司產(chǎn)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(yīng)短、中、長距。在OS系列三款不同定位產(chǎn)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(wǎng)合計列示了9款機械旋轉(zhuǎn)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(diào)整掃描角度或探測距離的方法將有限的功率側(cè)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(yīng)用領(lǐng)域為ADAS。Ouster產(chǎn)品矩陣較為完善，下游應(yīng)用場景多樣。公司第一代產(chǎn)品為OS1，開創(chuàng)性的將固態(tài)的激光收發(fā)器與機械旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)相結(jié)合，定位為中距探測。Ouster第二代產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品均已實現(xiàn)量產(chǎn)，使用場景覆蓋自動駕駛、無人機、安防等多個領(lǐng)域。Ouster與眾不同的三大特質(zhì)芯片化、850nm附近工作波長、數(shù)字化是Ouster產(chǎn)品的三大特征。Ouster專注于數(shù)字化技術(shù)，將激光雷達的收發(fā)端全部集成到芯片上，使得整個產(chǎn)品的集成度大幅提升，成本和量產(chǎn)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(shù)，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(chǎn)品具備了諸多的特質(zhì)。而在掃描結(jié)構(gòu)方面，其在OS系列產(chǎn)品上延續(xù)了傳統(tǒng)機械旋轉(zhuǎn)式的掃描結(jié)構(gòu)，形成了獨有的機械式固態(tài)方案。Ouster專注于芯片集成技術(shù)，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(nèi)部包含了數(shù)千個零部件，Ouster數(shù)字激光雷達內(nèi)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(chǎn)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(lǐng)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(shù)可使得Ouster激光雷達產(chǎn)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(shù)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(shù)，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(chǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)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(jié)合了機械旋轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域廣泛，業(yè)績爆發(fā)在即Ouster的合作伙伴涉及諸多應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品目前應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，包括自動駕駛、機器人、安防、工業(yè)、智慧城市、V2X、農(nóng)業(yè)、地圖等，其中自動駕駛、機器人、安防三大領(lǐng)域合作伙伴數(shù)量最多。根據(jù)Ouster官網(wǎng)列示信息，截至2021年7月，該三大應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域均有合作項目，合作程度較深。根據(jù)Ouster官網(wǎng)列示信息，截至2021年7月，與Ouster合作領(lǐng)域最多的四大合作伙伴為Unikie、CronAI、Mechaspin、4DVirtualiz，合作領(lǐng)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(yù)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(chǎn)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(chǎn)品有望快速降本，在2025年將產(chǎn)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(yù)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(fù)合增長率高達218%。產(chǎn)品銷量快速提升的原因是公司固態(tài)激光雷達產(chǎn)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(fù)合增長率高達142%，毛利潤2020-2025年化復(fù)合增長率高達242%。公司產(chǎn)品量產(chǎn)帶來的規(guī)模效應(yīng)將持續(xù)降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高公司產(chǎn)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(lǐng)域布局，均衡型發(fā)展路線專注車載和工業(yè)領(lǐng)域Ibeo成立于1998年，初始專注于激光掃描儀技術(shù)的緊急制動系統(tǒng)開發(fā)。2000年，工業(yè)應(yīng)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(yīng)商。同年，公司產(chǎn)品IbeoNEXTGeneric樣本進入市場，預(yù)計將在2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。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(lǐng)域主要有兩款產(chǎn)品。第一款為2007年發(fā)布的LUX，其探測距離較近，在車載領(lǐng)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(chǎn)品使用連續(xù)閃爍技術(shù)，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(yīng)用場景十分多樣，根據(jù)應(yīng)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(yīng)用，其在工業(yè)領(lǐng)域也有許多用途。Ibeo與長城汽車等多家企業(yè)建立合作關(guān)系。根據(jù)Ibeo官網(wǎng)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(lǐng)域包括工業(yè)應(yīng)用、汽車電子、光學(xué)傳感器、自動駕駛、乘用車等。公司于2020年與