激光雷達(dá)行業(yè)專題研究：激光器、探測器、驅(qū)動芯片等為核心1激光雷達(dá)：自動駕駛之眼，多整車廠積極布局激光雷達(dá)是一種向被測目標(biāo)發(fā)射探測信號，然后測量反射或散射信號的到達(dá)時間、強弱程度等參數(shù)，以確定目標(biāo)的距離、方位、運動狀態(tài)及表面光學(xué)特征的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)的優(yōu)點包括：1）具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；2）抗干擾能力強；3）獲取的信息量豐富，可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標(biāo)的多維度圖像；4）可全天時工作。相比于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)可實現(xiàn)對人體的探測，相比于攝像頭，激光雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)，對弱勢環(huán)境以及非標(biāo)準(zhǔn)靜物探測效果更好。自動駕駛國家分級標(biāo)準(zhǔn)擬實施，奠定自動駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)我國量產(chǎn)汽車自動駕駛等級正在由L2向L3過渡。我國《汽車駕駛自動化分級》于2021年8月正式發(fā)布，擬于2022年3月起實施。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)在執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)中的角色分配以及有無設(shè)計運行范圍限制，將駕駛自動化分成0~5級：L0(應(yīng)急輔助)、L1（部分駕駛輔助）、L2(組合駕駛輔助)、L3(有條件自動駕駛)、L4(高度自動駕駛)、L5(完全自動駕駛)。其中L3是輔助駕駛和自動駕駛的分水嶺，其定義為系統(tǒng)在其設(shè)計運行條件內(nèi)能夠持續(xù)地執(zhí)行全部動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)。L3以下稱之為輔助駕駛，L3以上稱之為自動駕駛。目前，我國量產(chǎn)汽車的自動駕駛等級正在從L2向L3過渡，此次《汽車駕駛自動化分級》的正式實施，也意味著中國將正式擁有自己的自動駕駛汽車分級標(biāo)準(zhǔn)，為我國自動駕駛行業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。多主機廠積極采納以激光雷達(dá)為關(guān)鍵傳感器的自動駕駛方案常見的車載傳感器包括：攝像頭、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。感知、決策與控制是自動駕駛的三個環(huán)節(jié)，感知環(huán)節(jié)用來采集周圍環(huán)境的基本信息，是自動駕駛的基礎(chǔ)。自動駕駛汽車依托傳感器實現(xiàn)對于周圍環(huán)境的感知。針對不同應(yīng)用等級，對于傳感器的需求不同，常見的傳感器包括：攝像頭、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。相較于攝像頭、毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)具有高分辨率、抗干擾能力強等特定優(yōu)勢，市場主流感知端方案為多傳感器融合。激光雷達(dá)具有高分辨率、抗干擾能力強、獲取目標(biāo)信息快等特點，可以應(yīng)用于黑暗、強光、逆光等弱勢場景，同時有效感知攝像頭和毫米波雷達(dá)無法準(zhǔn)確定位的障礙物和道路邊界等靜態(tài)目標(biāo)，可以在感知上補齊毫米波雷達(dá)、攝像頭等方案的不足，有助于提升自動駕駛感知的精度。將多個傳感器獲取的數(shù)據(jù)、信息集中在一起綜合分析，可以使得不同傳感器在識別能力、抗惡劣/暗光環(huán)境、探測距離等不同方面的優(yōu)勢相互補充，提高感知精度和系統(tǒng)決策的正確性。多主機廠積極采納以激光雷達(dá)為主的自動駕駛方案，激光雷達(dá)或?qū)⒊蔀閷崿F(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵傳感器之一。目前L2級輔助駕駛感知硬件主要包括超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等車載傳感器，伴隨駕駛自動化的等級越高，對自動駕駛感知系統(tǒng)和車載傳感器的要求越高。當(dāng)前除特斯拉外，各大主機廠正積極布局以激光雷達(dá)為主傳感器的自動駕駛方案。特斯拉FSD系統(tǒng)V9.0版本采用“純視覺識別距離”的測距計算，具有很高的技術(shù)壁壘且對算法的要求很高，需要通過收集大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法。此外，攝像頭傳感器對路面狀況有較高要求，霧天、夜晚等低照度環(huán)境將影響攝像頭的使用效果，且對非標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)物體的識別存在困難，相比之下，激光雷達(dá)以上場景中的效果更好?？紤]到市場各主機廠的算法能力積累程度不一，且交通場景的復(fù)雜性和環(huán)境干擾對L3~L5中高階自動駕駛系統(tǒng)（探測與響應(yīng)對象為駕駛系統(tǒng)）的要求較高，我們認(rèn)為激光雷達(dá)或?qū)⒊蔀閷崿F(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵傳感器之一。激光雷達(dá)性能評價：探測距離、FOV、角分辨率等為關(guān)鍵指標(biāo)激光雷達(dá)的主要性能指標(biāo)包括安全等級、探測距離、FOV(垂直+水平)、角分辨率、出點數(shù)、線束、輸出參數(shù)、IP防護(hù)等級、激光發(fā)射方式(機械/固態(tài))、使用壽命、波長、功率、供電電壓等。探測距離是激光雷達(dá)最核心的指標(biāo)之一，足夠遠(yuǎn)的探測距離能夠允許車輛對道路條件變化作出相應(yīng)反應(yīng)；寬水平視野能夠獲取更詳細(xì)的當(dāng)前行駛位置的視圖，幫助車輛評估相鄰車道的行駛條件，一般機械式激光雷達(dá)水平視場角為360°，垂直視野能夠幫助判斷車道上的物體、碎片；較高角分辨率的激光雷達(dá)能夠更精確地確定物體的大小、形狀、位置，提供更清晰的道路視覺。激光雷達(dá)技術(shù)路徑：關(guān)注探測距離、集成度以及成本總結(jié)來看，一個激光雷達(dá)包括四大要素：分別為測距原理、光束操縱方法、光源以及探測器。在此基礎(chǔ)上，不同技術(shù)路線是以上相關(guān)元素的組合。激光雷達(dá)的測距原理可以分為ToF和FMCW，前者在產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上更領(lǐng)先，成為當(dāng)前市場上主要采用的方法。兩種方法具體的特點如下：1)ToF：飛行時間法，通過直接測量發(fā)射激光與回波信號的時間差，基于光在空氣中的傳播速度得到目標(biāo)物的距離信息，具有相應(yīng)速度快、探測精度高的優(yōu)勢。該方式需要編碼抵抗干擾，根據(jù)反射率判斷目標(biāo)是否為偽目標(biāo)，因此對算法層面有較高要求。2)FMCW：相干測距法，將發(fā)射激光的光頻進(jìn)行線性調(diào)制，通過回波信號與參考光進(jìn)行相干排頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標(biāo)物距離，其中調(diào)頻連續(xù)波是相干法中面向無人駕駛應(yīng)用的主要方法。FMCW此前在毫米波雷達(dá)上已經(jīng)有應(yīng)用，優(yōu)勢在于抗干擾性能較好，對環(huán)境強光和其他激光有抗干擾能力。收發(fā)系統(tǒng)：考慮探測距離、產(chǎn)業(yè)成熟度以及成本波長方面，激光雷達(dá)光源的工作波長主要為850nm、905nm、940nm、1550nm，目前已發(fā)布的激光雷達(dá)產(chǎn)品以905nm和1550nm為主。905nm：技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟。基于905nm的激光雷達(dá)技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，成本較低，目前仍然是整車廠的首選波長。根據(jù)Yole《2021年汽車與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達(dá)應(yīng)用報告》，截至2021年9月，全球905nm激光雷達(dá)designwin數(shù)量為20項，占比達(dá)69%。905nm激光雷達(dá)技術(shù)成熟、成本較低，為當(dāng)前OEM主流激光器波長。1550nm：具有更高的探測距離，人眼保護(hù)更為友好，正逐步推廣。人眼內(nèi)部的晶狀體、眼角膜等，隨著波長的增長，投射性能在減弱，其中波長大于1400nm的光無法投射在視網(wǎng)膜上，因此1550nm的激光雷達(dá)能夠不用擔(dān)心傷害到人眼而工作在更高的功率上，以獲得更遠(yuǎn)的探測距離。目前車規(guī)級905nm激光雷達(dá)探測距離（10%反射率）約為150m，而1550nm激光器探測距離（10%反射率）約為250m，探測距離更遠(yuǎn)。由于采用1550nm激光雷達(dá)可以提供更多安全冗余，從而提高汽車安全性，正在逐步獲得市場認(rèn)可。截至2021年9月，基于1550納米的激光雷達(dá)方案designwin為4項。短期內(nèi)905nm/1550nm兩種波長或共存。我們認(rèn)為相較于905nm激光雷達(dá)，1550nm激光雷達(dá)基于“人眼安全”、對煙霧穿透力更強等特點，有望在探測距離方面獲得優(yōu)勢；但另一方面，因目前1550nm激光雷達(dá)發(fā)射端光源仍主要采用光纖激光器，以及探測端須采用銦鎵砷等成本相對高昂的器件，我們認(rèn)為1550nm激光雷達(dá)產(chǎn)品大規(guī)模采用或仍需要一定時間的培育和發(fā)展，短期內(nèi)905nm、1550nm技術(shù)路徑或保持共存。激光器光源方面，從發(fā)射維度看可以分為兩大類：邊發(fā)射（EEL）和垂直腔面發(fā)射（VCSEL）。據(jù)禾賽科技招股書，EEL作為探測光源具有高發(fā)光功率密度的優(yōu)勢，但EEL激光器因為其發(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)散角的壓縮和獨立手工裝調(diào)，極大地依賴產(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其發(fā)光面與半導(dǎo)體晶圓平行，具有面上發(fā)光的特性，其所形成的激光器陣列易于與平面化的電路芯片鍵合，在精度層面由半導(dǎo)體加工設(shè)備保障，無需再進(jìn)行每個激光器的單獨裝調(diào)，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進(jìn)行整合，提升光束質(zhì)量。傳統(tǒng)的VCSEL激光器存在發(fā)光密度功率低的缺陷，導(dǎo)致只在對測距要求近的應(yīng)用領(lǐng)域有相應(yīng)的激光雷達(dá)產(chǎn)品（通常<50m）。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(dá)提供了可能。結(jié)合VCSEL平面化所帶來的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品可靠性方面的收益，我們認(rèn)為VCSEL未來有望迎來快速發(fā)展。掃描系統(tǒng)：半固態(tài)/固態(tài)預(yù)計為激光雷達(dá)重點演進(jìn)方向按照掃描方式劃分，激光雷達(dá)可分為機械式、半固態(tài)式（包括轉(zhuǎn)鏡、偏振鏡等）、固態(tài)式（包括OPA、Flash等）等。1）機械式：通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，達(dá)到動態(tài)掃描并動態(tài)接受信息的目的。根據(jù)豎直方向上發(fā)射單元的數(shù)量，機械式激光雷達(dá)可以分為不同線束，常見的包括16線、32線、64線和128線。機械式發(fā)展較早，技術(shù)最為成熟，但由于其具有成本較高（與激光雷達(dá)線性成正比）、無法過車規(guī)、組裝難度大、量產(chǎn)能力差等缺陷。2）半固態(tài)：轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)通過一個可旋轉(zhuǎn)的鏡子能夠?qū)崿F(xiàn)約120°范圍的掃描，降低機械式激光雷達(dá)成本，缺點是轉(zhuǎn)軸精密度難以控制；MEMS式激光雷達(dá)通過半導(dǎo)體“微動”

器件MEMS（

micro-electro-mechanical-system，微機電系統(tǒng)）將機械部件集成化至芯片級別，具有尺寸小、成本低等優(yōu)勢，缺點是MEMS對車輛駕駛環(huán)境要求高。3）固態(tài)：激光雷達(dá)是指完全沒有移動部件的激光雷達(dá)，短期面臨較多工藝難點以至于其可靠性以及良率尚未能達(dá)到車規(guī)要求。OPA仍處于研發(fā)階段，F(xiàn)lash是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案，掃描速度快，但在探測精度和探測距離上效果較差。不同技術(shù)路徑的應(yīng)用場景不同。需要指出的是，并不是每種應(yīng)用場景都要用Flash或OPA的固態(tài)激光雷達(dá)，當(dāng)前固態(tài)雷達(dá)主要應(yīng)用于乘用車的高級輔助駕駛。另一方面，機械式激光雷達(dá)也擁有很多應(yīng)用場景。激光雷達(dá)的應(yīng)用場景主要可從兩個維度來劃分：1）激光雷達(dá)需要感知的環(huán)境；2）載體行駛的速度。下面我們對Robotaxi/Robotruck、ADAS、機器人、智慧城市等不同應(yīng)用場景下對激光雷達(dá)所需性能做探討：1、Robotaxi和Robotruck：針對Robotaxi和Robotruck等場景，由于其在城市道路上行駛場景復(fù)雜度比較高，對激光雷達(dá)的測距能力要求較高；另一方面，Robotaxi和Robotruck對外觀并無過高要求，故激光雷達(dá)的集成度要求可有放低，此外相較于乘用車要求成本優(yōu)先，Robotaxi和Robotruck對于價格敏感度較低，故目前高線束的機械式激光雷達(dá)可以滿足要求，例如滴滴、阿波羅等多采用機械旋轉(zhuǎn)式的激光雷達(dá)。2、ADAS：

L2/L3級別的場景復(fù)雜度相對L4/L5較低，但對價格的敏感度較高，此外對外觀的集成度要求較高，需要結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等，故衍生出對芯片化的半固態(tài)/固態(tài)激光雷達(dá)需求。3、機器人：由于機器人使用場景相對封閉、單一（如礦區(qū)、園區(qū)等），且速度相對較慢，低線束機械式激光雷達(dá)已可以滿足目前要求，且價格敏感度相對于ADAS較低，故機械式低線數(shù)激光雷達(dá)在機器人領(lǐng)域有望較大應(yīng)用空間。4、車聯(lián)網(wǎng)（智慧城市）：在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，激光雷達(dá)主要安裝在路端，主要為：1）實現(xiàn)高精地圖的采集，2）對路面交通進(jìn)行實時監(jiān)控，對集成度要求相對較低，而對算法要求較高。作為一