激光雷達(dá)行業(yè)研究：Flash激光雷達(dá)-邁向全固態(tài)時(shí)代

激光雷達(dá)行業(yè)研究：Flash激光雷達(dá)_邁向全固態(tài)時(shí)代

一、Flash是較易實(shí)現(xiàn)的車(chē)載全固態(tài)激光雷達(dá)方案

激光雷達(dá)固態(tài)升級(jí)是主旋律

MEMS半固態(tài)激光雷達(dá)是目前最為成熟的半固態(tài)激光雷達(dá)，也是當(dāng)下乘用車(chē)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(diǎn)是內(nèi)部集成了“可動(dòng)”的微型鏡面，采用靜電或電磁驅(qū)動(dòng)方式，將以電機(jī)為主的掃描系統(tǒng)換成MEMS驅(qū)動(dòng)的鏡片，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)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(jī)械結(jié)構(gòu)。MEMS的核心部件MEMS微振鏡屬于震動(dòng)敏感型結(jié)構(gòu)，如何確保其在車(chē)載極端環(huán)境下的可靠性是MEMS廠商需要解決的問(wèn)題之一。此外，精密的微振結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)試難度較大，依舊存在部分手工調(diào)節(jié)過(guò)程，難以滿(mǎn)足大批量、標(biāo)準(zhǔn)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(guò)MEMS振鏡的物理震動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的反射和折射，以完成對(duì)光束的操控。因此，光束掃描頻率與MEMS振鏡的振動(dòng)頻率直接相關(guān)。但MEMS振鏡的震動(dòng)存在物理極限，進(jìn)而導(dǎo)致了MEMS激光雷達(dá)的掃描頻率提升受限。而全固態(tài)方案則不依賴(lài)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，主要與脈沖頻率有關(guān)，因此成像頻率在理論上可無(wú)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(dòng)頻率越快，則掃描頻率越快。而MEMS振動(dòng)幅度越大，則掃描角度越大。振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅度負(fù)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(dòng)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(dá)不存在機(jī)械掃描過(guò)程，其幀率與脈沖頻率有關(guān)。Flash激光雷達(dá)的成像原理與攝像機(jī)類(lèi)似，其在短時(shí)間內(nèi)向前方發(fā)射大面積的激光，依靠高靈敏度的探測(cè)器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行收集并繪制成像。Flash激光單點(diǎn)面積比掃描型激光單點(diǎn)大，因此其功率密度較低，進(jìn)而影響到Flash激光雷達(dá)的探測(cè)精度和探測(cè)距離。

Flash激光雷達(dá)當(dāng)前功率密度較低，性能較差

Flash激光雷達(dá)功率密度較低，F(xiàn)oV（掃描角度）、探測(cè)距離、探測(cè)精度三者難以兼顧。Flash方案激光雷達(dá)屬于泛光成像，其發(fā)射的光線會(huì)散布在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)，其中包括大量不必要的區(qū)域，因此會(huì)對(duì)功率造成浪費(fèi)，從而影響其探測(cè)精度和距離。因此，其探測(cè)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(cè)距離越短，探測(cè)精度越低。

Flash方案的弊病主要可從四個(gè)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(jì)、降低定位。提高功率是提高Flash激光雷達(dá)性能最直接的方案，但是實(shí)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(cè)距離和掃描角度之間做取舍，實(shí)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(zhuān)注于降本。

“提高功率”方案實(shí)現(xiàn)難度最大，可能會(huì)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(cè)領(lǐng)域有相應(yīng)的激光雷達(dá)產(chǎn)品（通常<50m）。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多家VCSEL激光器公司紛紛開(kāi)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(kāi)發(fā)長(zhǎng)距激光雷達(dá)提供了可能。

“縮小掃描角度以聚焦”、“可變掃描角”屬于在探測(cè)距離和掃描角度之間做取舍的兩種方案，其實(shí)現(xiàn)難度較低。在嚴(yán)格控制生產(chǎn)成本情況下，兼顧掃描角度、探測(cè)距離二者的全能激光雷達(dá)研發(fā)生產(chǎn)難度較高，專(zhuān)注于某一方面性能的功能性激光雷達(dá)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(cè)距離，屬于主雷達(dá)發(fā)展思路；而可變掃描角方案則實(shí)現(xiàn)了性能側(cè)重點(diǎn)在探測(cè)距離和掃描角度之間轉(zhuǎn)換的靈活性，屬于平衡型雷達(dá)發(fā)展思路。

主激光雷達(dá)特點(diǎn)為探測(cè)距離遠(yuǎn)，平衡型激光雷特點(diǎn)為無(wú)明顯弱勢(shì)項(xiàng)。主雷達(dá)通常安裝在車(chē)輛中央，面朝前方，對(duì)探測(cè)距離有較高要求，對(duì)掃描角度無(wú)硬性要求。其通常搭配若干中短距雷達(dá)在車(chē)輛周身作為輔助，以彌補(bǔ)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(dá)在探測(cè)距離、掃描角度等方面無(wú)明顯弱勢(shì)項(xiàng)，通常以雷達(dá)組的形式出現(xiàn)，覆蓋車(chē)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(zhuān)注于降本。輔助雷達(dá)對(duì)于性能要求較低，但對(duì)成本更加敏感。Flash方案激光雷達(dá)相比于機(jī)械式和MEMS的優(yōu)勢(shì)在于集成度、量產(chǎn)成本，而劣勢(shì)在于短期內(nèi)性能難以大幅提高，其方案本身特點(diǎn)較為滿(mǎn)足輔助雷達(dá)定位。

二、Ouster：逆浪而行的數(shù)字激光雷達(dá)

堅(jiān)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(guò)SPAC在北美上市（代碼：OUST）。公司旗下激光雷達(dá)產(chǎn)品主要分為機(jī)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(jī)械式激光雷達(dá)，ES為固態(tài)激光雷達(dá)；0、1、2分別對(duì)應(yīng)短、中、長(zhǎng)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(jì)列示了9款機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)和1款固態(tài)激光雷達(dá)。

ES2固態(tài)激光雷達(dá)犧牲掃描角度以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。前文提到，F(xiàn)lash方案激光雷達(dá)存在功率密度低的弊病，可通過(guò)調(diào)整掃描角度或探測(cè)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(dá)選擇犧牲掃描角度以換取較遠(yuǎn)探測(cè)距離，其掃描角度僅為26°*13°，但探測(cè)距離高達(dá)200m（10%反射率），應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)锳DAS。

Ouster產(chǎn)品矩陣較為完善，下游應(yīng)用場(chǎng)景多樣。公司第一代產(chǎn)品為OS1，開(kāi)創(chuàng)性的將固態(tài)的激光收發(fā)器與機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)相結(jié)合，定位為中距探測(cè)。Ouster第二代產(chǎn)品為超廣角激光雷達(dá)OS0和遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)OS2。相比于第一代產(chǎn)品OS1，OS0在探測(cè)距離方面更短，但垂直掃描角度翻倍，整體FOV角度達(dá)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(cè)距離相比于OS1則提升了一倍，主要用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。目前OusterOS系列產(chǎn)品均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，使用場(chǎng)景覆蓋自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、安防等多個(gè)領(lǐng)域。

Ouster與眾不同的三大特質(zhì)

芯片化、850nm附近工作波長(zhǎng)、數(shù)字化是Ouster產(chǎn)品的三大特征。Ouster專(zhuān)注于數(shù)字化技術(shù)，將激光雷達(dá)的收發(fā)端全部集成到芯片上，使得整個(gè)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(zhǎng)選擇方面，Ouster憑借自身在環(huán)境光抑制方面的專(zhuān)利技術(shù)，采用了光子通量較高的850nm附近波長(zhǎng)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(jī)械旋轉(zhuǎn)式的掃描結(jié)構(gòu)，形成了獨(dú)有的機(jī)械式固態(tài)方案。

Ouster專(zhuān)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(dá)內(nèi)部包含了數(shù)千個(gè)零部件，Ouster數(shù)字激光雷達(dá)內(nèi)部只有一個(gè)芯片級(jí)激光陣列和一個(gè)CMOS傳感器，大大降低了價(jià)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(cè)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(dá)產(chǎn)品的性能提升遵循摩爾定律，使其性能提升速度遠(yuǎn)超同類(lèi)競(jìng)品。

環(huán)境光抑制技術(shù)賦予Ouster具備使用850nm作為工作波長(zhǎng)的能力。850nm波長(zhǎng)處的太陽(yáng)光子通量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光雷達(dá)使用的905nm、940nm、1550nm，會(huì)在探測(cè)器接收回波信號(hào)過(guò)程中造成較大噪音干擾。Ouster擁有獨(dú)特的環(huán)境光抑制技術(shù)，即使考慮到太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)的光子通量差異，其探測(cè)器仍能夠保持較高信噪比。

選擇850nm作為工作波長(zhǎng)為Ouster產(chǎn)品帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)：低水汽吸收性、高CMOS探測(cè)器靈敏度。大氣中的水蒸氣會(huì)吸收部分905nm、940nm、1550nm太陽(yáng)光，因此地表中上述三種波長(zhǎng)光的含量較低，但地表的潮濕環(huán)境中的水汽仍然會(huì)對(duì)上述波長(zhǎng)的光進(jìn)行吸收，進(jìn)而使得采用上述三種工作波長(zhǎng)的激光雷達(dá)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(cè)器在850nm處擁有更高靈敏度。從850nm到905nm，硅基探測(cè)器感知上述波長(zhǎng)的靈敏度降低了約2倍。探測(cè)器靈敏度下降會(huì)直接導(dǎo)致其可接收到的回波信號(hào)減少，降低激光雷達(dá)的探測(cè)距離和分辨率。

Ouster將機(jī)械式旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)融入固態(tài)激光雷達(dá)之中，形成了獨(dú)特的數(shù)字激光雷達(dá)。Ouster巧妙的結(jié)合了機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)360°掃描和固態(tài)激光雷達(dá)在成本和集成度方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)創(chuàng)了全新的數(shù)字激光雷達(dá)路線。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，業(yè)績(jī)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(duì)車(chē)載依賴(lài)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(dòng)駕駛、機(jī)器人、安防、工業(yè)、智慧城市、V2X、農(nóng)業(yè)、地圖等，其中自動(dòng)駕駛、機(jī)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(gè)、11個(gè)、10個(gè)。Ouster與單一合作伙伴在諸多領(lǐng)域均有合作項(xiàng)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(gè)、5個(gè)、4個(gè)、4個(gè)。需要特別指出的是，Ouster雖然在車(chē)載市場(chǎng)的合作伙伴數(shù)量最多，但公司對(duì)車(chē)載市場(chǎng)的依賴(lài)程度并不深。根據(jù)Ouster的預(yù)測(cè)，2020-2025年，自動(dòng)駕駛對(duì)公司營(yíng)業(yè)收入的貢獻(xiàn)約為15%，ADAS營(yíng)收貢獻(xiàn)約為2%。

Ouster的諸多合作伙伴有望為公司在2025年帶來(lái)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(hù)有望為公司在2025年帶來(lái)價(jià)值超過(guò)20億美元的訂單，而全部客戶(hù)為公司在2025年帶來(lái)的訂單價(jià)值量有望達(dá)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(jī)械式激光雷達(dá)和1款車(chē)載固態(tài)激光雷達(dá)，2020年產(chǎn)品平均售價(jià)及平均成本分別高達(dá)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(jià)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(jì)其傳感器銷(xiāo)量有望在2023年之后實(shí)現(xiàn)快速放量，2020-2025年化復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)218%。產(chǎn)品銷(xiāo)量快速提升的原因是公司固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品有望在2023年大量投放市場(chǎng)。

營(yíng)業(yè)收入和毛利潤(rùn)快速增長(zhǎng)，毛利率逐年提升。根據(jù)Ouster官方信息，公司營(yíng)業(yè)收入及毛利潤(rùn)在2020-2025年有望實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，營(yíng)業(yè)收入2020-2025年化復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)142%，毛利潤(rùn)2020-2025年化復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)242%。公司產(chǎn)品量產(chǎn)帶來(lái)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(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，并賦予公司更強(qiáng)的議價(jià)能力和提價(jià)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(zhuān)注車(chē)載和工業(yè)領(lǐng)域

Ibeo成立于1998年，初始專(zhuān)注于激光掃描儀技術(shù)的緊急制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)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(gòu)Ibeo90%的股份成為大股東，同年發(fā)布無(wú)任何移動(dòng)部件的ALASCA激光掃描儀。2005年，公司ALASCAXT的探測(cè)范圍從80米擴(kuò)展到200米，并成為Ibeo第一個(gè)帶有FPGA的傳感器。2007年，公司發(fā)布IbeoLUX。2020年，Ibeo成為長(zhǎng)城汽車(chē)再中國(guó)的首家激光雷達(dá)系列供應(yīng)商。同年，公司產(chǎn)品IbeoNEXTGeneric樣本進(jìn)入市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將在2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

Ibeo選擇可變掃描角方案，面向均衡型雷達(dá)方向發(fā)展。Ibeo目前在車(chē)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(cè)距離較近，在車(chē)載領(lǐng)域難以獨(dú)立擔(dān)當(dāng)主雷達(dá)的角色，主要作為工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)和車(chē)載輔助激光雷達(dá)。第二款為車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)NEXTGeneric，該款激光雷達(dá)將激光發(fā)射器（10240個(gè)VCSEL）、激勵(lì)源（25Hz）、信號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器。該款產(chǎn)品使用連續(xù)閃爍技術(shù)，可逐行對(duì)環(huán)境進(jìn)行掃描。

獨(dú)特4D激光雷達(dá)，強(qiáng)化車(chē)載性能

IbeoNEXTGeneric4D激光雷達(dá)擁有多種掃描角模式，使用場(chǎng)景多樣。Ibeo開(kāi)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(qiáng)度數(shù)據(jù)，強(qiáng)度圖像將強(qiáng)化車(chē)道識(shí)別功能。IbeoNEXT的應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)發(fā)32°和120°模式）。通過(guò)使用