2022年汽車激光雷達(dá)行業(yè)專題研究報(bào)告

2022年汽車激光雷達(dá)行業(yè)專題研究報(bào)告1、激光雷達(dá)：精確測(cè)量傳感器，智能駕駛為主要驅(qū)動(dòng)力1.1、發(fā)展五十余載，智能駕駛應(yīng)用推動(dòng)技術(shù)革新激光雷達(dá)是結(jié)合了光學(xué)、電子、機(jī)械、軟件、芯片、器件等技術(shù)，可以進(jìn)行環(huán)境探測(cè)、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)闹悄軅鞲衅?。激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)中的激勵(lì)源周期性地驅(qū)動(dòng)激光器，發(fā)射激光脈沖，激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標(biāo)物體；經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)，光電探測(cè)器接收目標(biāo)物體反射回來的激光，產(chǎn)生接收信號(hào)；接收信號(hào)經(jīng)過放大處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計(jì)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。掃描系統(tǒng)對(duì)所在的平面掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。激光雷達(dá)自誕生以來經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段：（1）1960年代-1970年代：激光器誕生，基于激光的探測(cè)技術(shù)開始發(fā)展，這一時(shí)期激光雷達(dá)主要用于科研及測(cè)繪，1971年阿波羅15號(hào)載人登月任務(wù)使用激光雷達(dá)對(duì)月球表面進(jìn)行測(cè)繪。（2）1980年代-1990年代：激光雷達(dá)商業(yè)化起步，開始用于工業(yè)探測(cè)和早期無人駕駛項(xiàng)目，這一時(shí)期西克和北洋等廠商推出單線掃描式2D激光雷達(dá)產(chǎn)品。（3）2000年代2010年代早期：高線數(shù)激光雷達(dá)開始用于無人駕駛的避障和導(dǎo)航，激光雷達(dá)主要應(yīng)用于無人駕駛測(cè)試項(xiàng)目等。此時(shí)市場(chǎng)內(nèi)主要為國外廠商。（4）2016年-2018年：國內(nèi)廠商入局，激光雷達(dá)技術(shù)方案多樣化發(fā)展。此時(shí)激光雷達(dá)主要用于無人駕駛、高級(jí)輔助駕駛、服務(wù)機(jī)器人等，且下游開始有商用化項(xiàng)目落地。（5）2019年至今：市場(chǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)品性能持續(xù)優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展。激光雷達(dá)技術(shù)朝向芯片化、陣列化發(fā)展。境外激光雷達(dá)公司迎來上市熱潮，同時(shí)有巨頭公司加入激光雷達(dá)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為激光器、探測(cè)器、掃描器和光學(xué)芯片等組件，中游市場(chǎng)按照所生產(chǎn)激光雷達(dá)在掃描系統(tǒng)所使用不同技術(shù)路線可分為機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)、Flash激光雷達(dá)和OPA激光雷達(dá)等，下游應(yīng)用市場(chǎng)主要分為智能駕駛、服務(wù)型機(jī)器人和測(cè)繪等領(lǐng)域。1.2、智能駕駛為主要驅(qū)動(dòng)力，市場(chǎng)空間廣闊1.2.1、智能駕駛不斷發(fā)展，多重優(yōu)勢(shì)促進(jìn)使用智能駕駛采用不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)周邊道路、行人、障礙物、路側(cè)單元及其他車輛的感知，在不同程度上實(shí)現(xiàn)車輛安全、自主、智能駕駛，是激光雷達(dá)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，可根據(jù)駕駛員與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參與程度分為五個(gè)等級(jí)。典型的智能駕駛系統(tǒng)包括環(huán)境感知、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行三大部分。其中環(huán)境感知系統(tǒng)主要包括攝像頭、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器。激光雷達(dá)性能好、精度高，或?yàn)橹悄芷嚭诵膫鞲衅鳌＜す饫走_(dá)常應(yīng)用于高精度電子地圖和定位、障礙物識(shí)別、可通行空間檢測(cè)、障礙物軌跡預(yù)測(cè)等方面，具備分辨率高、探測(cè)范圍廣、信息量豐富等優(yōu)勢(shì)，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)汽車智能駕駛的核心裝置。智能汽車激光雷達(dá)需求有望隨駕駛自動(dòng)化水平提升不斷增加。當(dāng)前駕駛自動(dòng)化水平正處于不斷提升的過程中，據(jù)ICVTank，全球高級(jí)別自動(dòng)駕駛滲透率呈上升趨勢(shì)，即搭載激光雷達(dá)的智能汽車銷量有望提升。據(jù)麥姆斯咨詢，L3、L4和L5級(jí)別自動(dòng)駕駛則分別需要搭載1顆、2-3顆與4-6顆激光雷達(dá)，隨駕駛自動(dòng)化水平提升單車激光雷達(dá)搭載數(shù)量不斷增加。自2020年年底開始，各大車企陸續(xù)宣布激光雷達(dá)裝車，2021年起激光雷達(dá)開始規(guī)?；M(jìn)入汽車前裝市場(chǎng)，2022年車載激光雷達(dá)有望迎來放量元年。1.2.2、移動(dòng)機(jī)器人、智慧城市與測(cè)繪為典型應(yīng)用，與車載領(lǐng)域相比性能需求不同服務(wù)型機(jī)器人、智慧城市及測(cè)繪是激光雷達(dá)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)激光雷達(dá)性能有不同要求。例如應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的YDLIDAR激光雷達(dá)測(cè)距最遠(yuǎn)為30米，應(yīng)用于測(cè)繪等領(lǐng)域的華測(cè)導(dǎo)航激光雷達(dá)最遠(yuǎn)測(cè)程可達(dá)1350米，與禾賽科技車載領(lǐng)域典型產(chǎn)品Pandar128測(cè)距能力200米完全不同。據(jù)沙利文，2019年國內(nèi)和全球智慧城市與測(cè)繪領(lǐng)域在激光雷達(dá)市場(chǎng)份額中占比最高，分別達(dá)70%和61%。政策支持機(jī)器人行業(yè)發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人有望受益。借助強(qiáng)大的內(nèi)置感知系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人能夠完成多種無人作業(yè)，從而減輕對(duì)人力的依賴，提高生產(chǎn)效率。為推進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有關(guān)部門相繼制定發(fā)布了一系列政策，例如2021年12月，工信部等部門發(fā)布《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，爭(zhēng)取2025年我國成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地，2035年我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。技術(shù)不斷成熟與人力成本上漲共同促進(jìn)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展，2026年全球市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到2126億美元。服務(wù)機(jī)器人執(zhí)行除工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用外的多種任務(wù)，隨科技進(jìn)步服務(wù)機(jī)器人不斷融入智能語音、AI算法、通訊、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，能力逐步提升的同時(shí)生產(chǎn)成本不斷下降；同時(shí)人力成本的上升進(jìn)一步降低了服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用成本，因此在許多領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人替代人工已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)MordorIntelligence預(yù)測(cè)，2026年全球服務(wù)型機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到2126.2億美元，2021-2026年CAGR達(dá)44.9%。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院，2022年我國服務(wù)型機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到542.3億元，同比增長(zhǎng)38.4%。激光雷達(dá)是自主移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)建圖、定位、導(dǎo)航、避障等功能的核心部件，2025年全球移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到7億美元。服務(wù)機(jī)器人環(huán)境感知、定位建圖、導(dǎo)航避障等解決方案采用的環(huán)境感知傳感器主要是激光雷達(dá)和深度攝像頭，典型產(chǎn)品如YDLIDARTG30激光雷達(dá)測(cè)距半徑可達(dá)30米，Intel深度攝像頭D455測(cè)距半徑為6米，或?qū)?yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。據(jù)沙利文預(yù)計(jì)，2025年全球移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到7億美元。激光雷達(dá)在智慧城市與測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用包括實(shí)景三維城市、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能交通等，2025年全球市場(chǎng)規(guī)模有望超過45億美元。測(cè)繪方面，通過激光雷達(dá)采集三維空間數(shù)據(jù)并處理得到具有坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模已成為主流發(fā)展方向。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，可通過激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠、云粒子的分布、大氣成分和風(fēng)場(chǎng)的垂直廓線，進(jìn)而有效監(jiān)控主要污染源。智能交通方面，可通過激光雷達(dá)對(duì)道路進(jìn)行連續(xù)掃描并獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的車流量點(diǎn)云數(shù)據(jù)并處理得到車流量等參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能交通控制。據(jù)沙利文預(yù)測(cè)，2025年全球智慧城市與測(cè)繪領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模有望超過45億美元。2、車載應(yīng)用：當(dāng)前處于發(fā)展期，技術(shù)路線多樣2.1、測(cè)距方式：ToF為當(dāng)前主流，F(xiàn)MCW仍處于發(fā)展期ToF(TimeofFlight)與FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)能夠?qū)崿F(xiàn)室外陽光下較遠(yuǎn)的測(cè)程（100~250m），是車載激光雷達(dá)的優(yōu)選方案。ToF是目前市場(chǎng)上車載中長(zhǎng)距激光雷達(dá)的主流方案，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)整機(jī)和上游產(chǎn)業(yè)鏈仍處于發(fā)展期。ToF即飛行時(shí)間測(cè)距方法，通過測(cè)量光等信號(hào)在發(fā)射器和反射器之間的“飛行時(shí)間”來計(jì)算出兩者間距離。ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括發(fā)射模塊、接收模塊、控制及信號(hào)處理模塊和掃描模塊，通過激光器發(fā)射激光并利用二極管檢測(cè)目標(biāo)物體反射的激光回波，通過高精度計(jì)時(shí)器測(cè)量激光發(fā)射與接收到目標(biāo)物體反射回波的時(shí)間差，進(jìn)一步用時(shí)間差乘以光速即可得到目標(biāo)物體的相對(duì)距離。ToF測(cè)距方法又可分為脈沖式激光測(cè)距（directTimeofFlight,dToF)和相位式激光測(cè)距（indirectTimeofFlight,iToF）。dToF采用直接測(cè)量飛行時(shí)間的方式測(cè)距，發(fā)射模塊向周圍環(huán)境發(fā)射脈沖波并通過接收模塊接收目標(biāo)物體反射回波，記錄發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔，并對(duì)多次記錄的飛行時(shí)間做直方圖統(tǒng)計(jì)，即可采用頻率較高的飛行時(shí)間計(jì)算測(cè)量的距離。FMCW測(cè)距方法通過發(fā)送和接收連續(xù)激光束，把反射光和本地光做干涉并利用混頻探測(cè)技術(shù)來測(cè)量發(fā)送和接收的頻率差異，再通過頻率差換算出目標(biāo)物的距離。激光束擊中目標(biāo)物后被反射，當(dāng)發(fā)射模組與目標(biāo)存在相對(duì)速度時(shí)，反射光會(huì)附加相應(yīng)的多普勒頻率，將反射光和本地光做干涉并利用混頻探測(cè)技術(shù)測(cè)量出頻率差之后，可以結(jié)合發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率計(jì)算出物體的距離信息。FMCW與ToF技術(shù)相比具備靈敏度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、能夠直接測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的硅光芯片化或?yàn)榘l(fā)展趨勢(shì)。在短期很難達(dá)到較高集成度的情況下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)成本較高。FMCW使用相干探測(cè)，要求光學(xué)器件表面的公差在/20以內(nèi)，光學(xué)元件成本較高。FMCW對(duì)ADC轉(zhuǎn)換速率的要求是ToF系統(tǒng)的2~4倍，同時(shí)要求FPGA能夠接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行高速FFT轉(zhuǎn)換。即使使用ASIC，F(xiàn)MCW系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復(fù)雜度和成本也是ToF系統(tǒng)的幾倍。FMCW激光雷達(dá)芯片化有望推動(dòng)成本下降，光勺科技預(yù)計(jì)2025年可達(dá)1500元。國外企業(yè)包括AEVA、Aurora、mobileye、Strobe、Scantinel等，國內(nèi)企業(yè)包括洛微科技、禾賽科技、北京光勺科技等對(duì)FMCW激光雷達(dá)有所布局：AEVA預(yù)計(jì)2023年量產(chǎn)；Mobileye預(yù)計(jì)2024年量產(chǎn)、2025年左右實(shí)現(xiàn)芯片化；光勺科技預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)FMCW激光雷達(dá)芯片化，成本達(dá)1500人民幣。2.2、發(fā)射模塊：VCSEL易于集成功率密度低，F(xiàn)MCW光源處于發(fā)展期EEL（EdgeEmittingLaser）邊發(fā)射激光器具有高發(fā)光功率密度的優(yōu)勢(shì)，但因其發(fā)光面位于半導(dǎo)體晶圓的側(cè)面，使用過程中需要進(jìn)行切割、翻轉(zhuǎn)、鍍膜、再切割的工藝步驟，往往只能通過單顆一一貼裝的方式和電路板整合，而且每顆激光器需要使用分立的光學(xué)器件進(jìn)行光束發(fā)散角的壓縮和獨(dú)立手工裝調(diào)，比較依賴產(chǎn)線工人的手工裝調(diào)技術(shù)，生產(chǎn)成本高且一致性難以保障。VCSEL(verticalcavitysurfaceemittinglaser)垂直腔面發(fā)射激光器具有易于二維集成、閾值低、光束質(zhì)量好、調(diào)制頻率高、壽命長(zhǎng)、單模工作穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)低溫漂系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的VCSEL激光器存在發(fā)光功率密度低的缺陷，導(dǎo)致只在對(duì)測(cè)距要求近的應(yīng)用領(lǐng)域有相應(yīng)的激光雷達(dá)產(chǎn)品（通常<50m）。VCSEL激光器自上而下包括P型歐姆接觸電極、P型摻雜的分布式布拉格反射鏡(DBR)、氧化限制層、多量子阱有源區(qū)、N型摻雜DBR、襯底以及N型歐姆接觸電極。量子阱有源區(qū)位于n型摻雜和p型摻雜的DBR之間。DBR反射鏡具有大于99%的反射率。有源區(qū)的光學(xué)厚度為1/2激光波長(zhǎng)的整數(shù)倍，通過Pcontact向有源區(qū)注入電流并產(chǎn)生受激輻射的光子在DBR中往復(fù)被反射并諧振放大，從而形成激光。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。2021年，Lumentum發(fā)布了新款高功率、高效率的五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列，每個(gè)發(fā)射孔的光功率超過2W，從而使得1平方毫米VCSEL陣列的峰值功率超過800W。功率密度提升為應(yīng)用VCSEL開發(fā)長(zhǎng)距激光雷達(dá)提供了可能，結(jié)合其平面化所帶來的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品可靠性方面的收益，VCSEL未來有望取代EEL。FMCW激光雷達(dá)的光源不同于ToF激光雷達(dá)，窄線寬的線性調(diào)頻光是實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)的基礎(chǔ)。目前商用的能夠?qū)崿F(xiàn)窄線寬輸出的激光器有四種類型：分布式反饋激光器（DFB）、分布式布拉格反射激光器（DBR）、外腔激光器以及通過窄線寬激光器的種子元加上外調(diào)制的方案。然而，上述四種解決方案各自存在問題，DFB激光器、DBR激光器頻率功率起伏大、線性度差，外腔激光器量產(chǎn)困難，外調(diào)制方案各項(xiàng)性能最優(yōu)，但成本過高難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。同時(shí)，以上方案還共同存在功率不足的問題。FMCW激光雷達(dá)的光源解決方案仍處于發(fā)展期。2.3、掃描模塊：全固態(tài)處于發(fā)展期，有望推動(dòng)成本下行根據(jù)掃描系統(tǒng)方案，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式、混合固態(tài)（包括轉(zhuǎn)鏡式、MEMS）和全固態(tài)（包括Flash和OPA）。機(jī)械激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)通常存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。機(jī)械式激光雷達(dá)具有技術(shù)成熟、掃描速度快、360°掃描等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也面臨體積重量大難過車規(guī)、可量產(chǎn)性差、成本高等問題。轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)類似機(jī)械式，其保持收發(fā)模塊不動(dòng)，通過無刷電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)，將激光反射到不同的方向?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)激光的掃描。由于無刷電機(jī)已在工業(yè)中廣泛應(yīng)用多年，部件穩(wěn)定性已有可靠驗(yàn)證，且供應(yīng)鏈較為成熟，因此轉(zhuǎn)鏡式掃描模塊可實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用。相比純機(jī)械式激光雷達(dá)，轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積相對(duì)較小、易于量產(chǎn)、易過車規(guī)，是自動(dòng)駕駛上應(yīng)用較多的方案。但由于電機(jī)為金屬機(jī)械部件，因此在體積的小型化發(fā)展上受限，且成本下降空間有限，目前主要依靠工程設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)鏡方案進(jìn)行改進(jìn)，形成如棱鏡、多面鏡等不同轉(zhuǎn)鏡方案。MEMS激光雷達(dá)使用微振鏡替代機(jī)械式產(chǎn)品中的宏觀掃描裝置，將機(jī)械部件集成到單個(gè)芯片，有望成為當(dāng)前主流方案之一。MEMS激光雷達(dá)具備多方面優(yōu)勢(shì)，如MEMS微振鏡幫助激光雷達(dá)擺脫了機(jī)械裝置，有效減小了激光雷達(dá)的尺寸；MEMS微振鏡的使用能夠減少激光器和探測(cè)器的數(shù)量，降低激光雷達(dá)的成本；MEMS微振鏡在其他領(lǐng)域有著多年的商業(yè)化應(yīng)用，商業(yè)化較為成熟。MEMS激光雷達(dá)的微振鏡芯片技術(shù)門檻相對(duì)較高，且由于MEMS微振鏡的尺寸和偏轉(zhuǎn)角度較小，MEMS激光雷達(dá)視場(chǎng)角偏小。Flash激光雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)是無掃描器件、成像速度快，缺點(diǎn)是激光功率受限、探測(cè)距離近、抗干擾能力差。Flash激光雷達(dá)利用激光器同時(shí)照亮整個(gè)場(chǎng)景，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，一次性實(shí)現(xiàn)全局成像，故也稱為閃爍式激光雷達(dá)，工作原理與數(shù)字照相機(jī)類似。OPA（光學(xué)相控陣）是一種新興技術(shù)，由緊密排列的光學(xué)天線陣列構(gòu)成，并在寬角度范圍內(nèi)發(fā)射相干光，然后通過調(diào)節(jié)每個(gè)天線發(fā)射的光的相對(duì)相位來改變產(chǎn)生的干涉圖樣。OPA激光雷達(dá)取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，激光控制集成在一塊OPA芯片，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以動(dòng)態(tài)控制掃描頻率、分辨率和焦距，多線多維掃描能獲得更高的數(shù)據(jù)采集率等優(yōu)點(diǎn)。但采用OPA路線的企業(yè)需要自主研發(fā)芯片，上游核心電子元器件、技術(shù)支持不成熟，制造工藝復(fù)雜，短期產(chǎn)業(yè)化難度較大。OPA掃描方式或與FMCW測(cè)距方式有著較好適配性。ToF激光雷達(dá)峰值功率通常在40-50W，容易導(dǎo)致硅光芯片受損，而FMCW對(duì)峰值功率的需求只有百毫瓦級(jí)別，遠(yuǎn)低于ToF，未