汽车激光雷达行业研究报告.docx

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汽车激光雷达行业研究报告

汽车激光雷达行业研究报告

需求爆发，从技术角度看激光雷达

报告综述：

激光雷达，L3级自动驾驶之眼。

激光雷达兼具测距远、角度分辨率优、受环境光照影响小的特点，且无需深度学习算法，可直接获得物体的距离和方位信息。

相较于其他传感器的优势，可显著提升自动驾驶系统的可靠性，因而被认为是L3级及以上自动驾驶必备的传感器。

激光雷达在高级辅助驾驶领域的市场规模将在未来5年里保持高速增长，按照沙利文预计，2025年激光雷达市场规模预计将达到46.1亿美元，2019年至2025年复合增长率达83.7%。

激光雷达结构拆分：

发射/接收匹配，扫描多技术方案。

激光雷达系统可拆分成激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四个部分。

1）激光发射：

波长影响激光功率，激光器是核心；2）扫描系统：

MEMS渐成主力，Flash/OPA纯固态方案值得期待；3）激光接收：

光电探测器是关键，目前主要有APD、SPAD和SiPM等；4）信息处理：

点云分割算法、目标跟踪与识别算法和SLAM。

从信噪比看激光雷达技术发展趋势。

信噪比是衡量激光雷达性能最重要的参数之一，要提高激光雷达的信噪比，最简单有效的方法是：

1）提高接收信号光功率：

1550nm波长+光纤激光器+InGaAs接收器。

2）提高探测器的量子效率：

SiPM和SPAD正成为新兴的激光雷达探测器。

3）采用相干探测方法：

FMCW的高灵敏性体现在其单光子探测和抗干扰能力。

1.激光雷达，L3级自动驾驶之眼

1.1激光雷达被认为是L3级及以上自动驾驶必备传感器

当前L2级自动驾驶感知系统主要由超声波雷达、毫米波雷达、摄像头等车载传感器组成。

特斯拉环绕车身共配有8个摄像头，视野范围达360度，对周围环境的监测距离最远可达250米。

12个新版超声波传感器作为整套视觉系统的补充，可探测到柔软或坚硬的物体，传感距离和精确度接近上一代系统的两倍。

增强版前臵雷达通过发射冗余波长的雷达波，能够穿越雨、雾、灰尘，甚至前车的下方空间进行探测，为视觉系统提供更丰富的数据。

激光雷达被认为是L3级及以上自动驾驶必备传感器。

激光雷达兼具测距远、角度分辨率优、受环境光照影响小的特点，且无需深度学习算法，可直接获得物体的距离和方位信息。

这些相较于其他传感器的优势，可显著提升自动驾驶系统的可靠性，因而被大多数整车厂、Tier1认为是L3级及以上自动驾驶（功能开启时责任方为汽车系统）必备的传感器。

1.2全球L3级量产车快速开发中，国内激光雷达加速上车

全球范围内L3级辅助驾驶量产车项目当前处于快速开发之中。

BMW预计在2021年推出具有L3级自动驾驶功能的BMWVisioniNEXT；Mercedes-Benz首款L3级自动驾驶系统将于2021年在新款S级车型上推出；Volvo预计在2022年推出配备激光雷达的自动驾驶量产车型，实现没有人工干预情况下的高速行驶；Honda计划于2021年在其Legend车型上提供L3级自动驾驶系统。

随着成本不断下探且达到车规级要求，激光雷达有望实现高速增长。

考虑全球高级辅助驾驶项目的发展进度，2020年及2021年ADAS领域激光雷达的销售主要仍由SCALA贡献。

随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求，未来越来越多高级辅助驾驶量产项目将实现SOP；根据Yole的研究报告，至2025年全球乘用车新车市场L3级自动驾驶的渗透率将达约6%，即每年将近600万辆新车将搭载激光雷达。

激光雷达在高级辅助驾驶领域的市场规模将在未来5年里保持高速增长，按照沙利文预计，2025年激光雷达市场规模预计将达到46.1亿美元，2019年至2025年复合增长率达83.7%。

蔚来ET7搭载Innovusion超远距高精度激光雷达。

蔚来ET7搭载33个高性能感知硬件，定义量产车自动驾驶感知系统全新标准，包含11个800万像素高清摄像头、5个毫米波雷达、12个超声波雷达、1个激光雷达、2个高精度定位单元、1个车路协同感知和1个ADMS增强主驾感知。

其中，激光雷达为蔚来与Innovusion合作开发，最远探测距离达500m，水平视角120°，最高分辨率0.06°×0.06°，采用1550nm安全激光，避开了人眼敏感的900nm波长，兼顾性能和他人安全。

小鹏汽车将搭载Livox激光雷达。

小鹏汽车宣布与大疆孵化的Livox览沃科技达成合作，将在2021年推出的全新量产车型上使用其生产的小鹏定制版车规级激光雷达，Livox也正式成为小鹏汽车在激光雷达领域的首家合作伙伴。

在本次合作中，Livox览沃科技基于浩界Horiz车规级激光雷达平台为小鹏汽车进行了一系列定制化开发，最终提供的车规级量产版本在量程、FOV、点云密度等多个核心指标上都做到了业内领先水平。

长城将搭载ibeoNEXT激光雷达，欲实现中国首个配臵激光雷达的自动驾驶。

咖啡智驾搭载的全球首款能够真正量产的车规级高性能固态激光雷达，角分辨率达0.05°*0.07°，性能高出普通无人驾驶车型所采用的机械激光雷达5倍，配合毫米波雷达、摄像头、超声波雷达等配臵带来全方位360°双倍无死角覆盖。

2.核心技术解析：

发射/接收匹配，扫描多技术方案

2.1激光雷达结构拆分

激光雷达系统可拆分成激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四个部分。

2.2激光发射系统：

波长影响激光功率，激光器是核心

基本原理：

激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体。

激光波长：

激光最关键指标在于波长，一般会考量四个因素：

人眼安全、与大气相互作用、可选用的激光器以及可选用的光电探测器。

目前业内主流采用905nm和1550nm两种波长，905nm波长适用的光电探测器比1550nm的更便宜，但1550nm对人眼安全性更高。

针对于与大气相互作用，1550nm吸水率比905nm更强，但905nm的光损失更少。

激光器：

当前阶段重要有EEL激光器、VCSEL激光器和光纤激光器等。

EEL激光器：

EEL作为探测光源具有高发光功率密度的优势，但EEL激光器因为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，极大地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：

垂直腔面发射激光器（VCSEL）其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：

以掺有激活粒子的光纤为激光介质的激光器，通常以半导体激光器作为能量泵浦源（以半导体激光器发出的光，泵浦光纤增益介质产生光）。

2.3激光扫描系统：

MEMS渐成主力，Flash/OPA纯固态方案值得期待

2.3.1机械式激光雷达

机械式激光雷达通过电机带动收发阵列进行整体旋转，实现对空间水平360°视场范围的扫描。

测距能力在水平360°视场范围内保持一致。

传统机械式激光雷达难以满足车规级要求。

传统机械式激光雷达，通过电机带动整个激光头做圆周运动，其扫描方式通常呈360度线式扫描。

这种方式带来的直接后果是无论扫描时间多长，线与线之间总会有间隙，存在漏检物体的可能性。

而更为糟糕的是，占整个雷达70%质量的重要部件，包括激光发射、接收等精密的电子器件，都在不停地一边运动，一边工作，这种机械运动以及旋转部件动平衡上的误差带来的磨损、振动等，大大降低了雷达的稳定性和可靠性。

而且多线激光雷达这种转动的工作模式，若采用滑环设计会容易失效，而无线供电的方式则不够稳定，很难满足车规级别的应用场景。

Livox推出棱镜式激光雷达，采用非重复扫描技术。

为避免上千个电子部件同时旋转，Livox将所有的发射和接收部件移到稳定的后端，在前端只用两三个棱镜做高速纯光学扫描，在技术上为稳定性提供了可能。

此外，Livox的点云特性覆盖率随时间不断增加，并且无需进行重复扫描。

2.3.2MEMS激光雷达

MEMS激光雷达通过硅基芯片上微振镜以一定谐波频率的振荡，来反射激光器的光线，从而以超高的扫描速度形成高密度的点云图。

由此改变单个发射器的发射角度进行扫描，形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。

优点：

其核心光束操纵元件为MEMS微振镜，大大减少了激光雷达的尺寸，减少激光器和探测器数量，极大地降低成本，具有高性能、稳定可靠、易于生产制造等优点，兼顾车规量产与高性能的需求。

缺点：

MEMS激光雷达并没有完全消除机械，只是将扫描单元变成了MEMS微振镜，仍然存在微振镜的振动，所以它并不能算纯固态激光雷达，而是混合固态雷达（也称类固态/半固态雷达）。

其光路较复杂，微振镜结构会影响整个激光雷达的寿命，激光功率较低，信噪比较低、有效距离较短，并且激光扫描范围受微振镜面积限制，视野相对较窄。

2.3.3Flash激光雷达

Flash激光雷达，指一次闪光（激光脉冲）成像的激光雷达，在发射端采用面光源，短时间发射出一大片覆盖探测区域的面阵激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制，它也是目前唯一的非扫描式激光雷达，能够达到最高等级的车规要求。

这种激光雷达的缺点很明显，功率密度太低，导致其有效距离一般难以超过50米，分辨率也比较低。

要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先进的激光发射阵列，让发光单元按一定模式导通点亮，以取得扫描器的效果。

2.3.4OPA激光雷达

OPA激光雷达是运用相干原理，采用多个光源组成阵列，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度，通过控制各光源发射的时间差，可以合成角度灵活、精密可控的主光束，实现对不同方向的扫描。

优点：

这种固态激光雷达有着扫描速度快，精度高，可控性好，抗振性能好，体积小，量产一致性高，成本更低等优点。

缺点：

OPA激光雷达仍有易形成旁瓣效应，光信号覆盖有限、环境光干扰、测距较短等问题，而且加工难度较高。

2.4激光接收系统：

光电探测器是关键

探测器指利用光电效应将光信号转化为电信号，实现对光信号进行探测的装臵。

目前激光雷达领域常用的探测器主要包括APD、SPAD和SiPM等。

APD是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。

而APD的反向偏压被设定为高于击穿电压时，内部电场更强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。

在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲