车载激光丨研究报告
核心摘要：
•激光雷达与其他传感器的结合可降低感知误差，提供的点云信息可帮助感知模型在物体检测&语义分割、目标行为预测、车辆定位上提供更高的准确度。
•集成技术：光子集成技术是实现激光器与其他器件单片集成的关键技术，相对于微电子集成技术落后约30年，需要长期投入实现突破。
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2022年中国车载激光雷达市场洞察报告应用需求 •以低速封闭场景下的功能探索为基础，主机厂在逐步推动辅助驾驶应用场景的多元化，预计2025年乘用车辅助驾驶渗透率或超60%，感知功能的升级推动传感器硬件性能的提升。 技术发展 •半固态扫描方案：半固态扫描激光雷达已可满足ADAS功能需求，相关技术已较为成熟，未来将通过商用反馈积累经验进行产品的升级改进。 •固态扫描/非扫描方案：固态扫描OPA技术在天线阵列设计及波长调整技术的成熟度上距离商用仍有一定距离，固态非扫描Flash方案受VCSEL及SPAD器件的发展或将率先实现乘用车商用。 •光学探测方案：短期ToF探测方式+905 nm光源方案可为激光雷达乘用车大规模商用提供较高性价比，未来随着FMCW探测技术的成熟将带领1550 nm光源实现高性能激光雷达量产方案。 商业发展 •市场规模：受益于乘用车辅助驾驶功能发展及Robotaxi持续开城运营，车载激光雷达市场规模有望自2021年4.6亿元增长至2025年54.6亿元，实现85.7%的年复合增长率。 •商业模式：汽车供应链中主机厂的参与度逐渐加深为激光雷达企业带来了直接与主机厂合作的机会，不同厂商依据自身实力选择不同的服务策略，逐步向Tier 1供应商靠拢，为主机厂提供整套感知解决方案。 激光雷达应用发展背景 – 市场需求 辅助驾驶功能发展推动更高感知需求 随着辅助驾驶功能逐步量产，乘用车辅助驾驶系统已成为行业标配，单项功能逐渐下沉至低端车型，同时高端车型上不断推出新功能，虽然受限于技术及法规等限制，L3及以上等级的自动驾驶短期内落地仍有一定难度，但在部分封闭低速场景下辅助驾驶功能的开发在不断升级，由此为开放高速场景下的辅助甚至自动驾驶功能设计积累基础经验，辅助/自动驾驶功能的探索升级离不开车辆对周围环境感知能力的提升，而感知能力提升的基础则是对各类传感器软硬件的不断开发组合。 激光雷达应用发展背景 – 厂商规划 各主机厂逐步推进激光雷达部署方案 激光雷达在过去一直受限于成本及体积等问题难以大规模落地。而随着技术和生产效率的进步，激光雷达成本在近年开始快速下降，各主机厂已逐步将其纳入ADAS传感器方案中，其中国产新势力在激光雷达的部署上更为激进，将激光雷达作为新的科技卖点更为积极的探索其应用功能；同时国外品牌也开始逐渐将激光雷达部署到自家高端车型上；不同于早期奥迪搭载的近距离低分辨率激光雷达，目前车辆搭载的激光雷达根据厂商需求的不同已涵盖近程、远程等多种高分辨率激光雷达，未来随着激光雷达集成化的发展将进一步扩展激光雷达的车载应用前景。 激光雷达基础概念介绍 – 硬件模块
激光雷达硬件模块及对应器件选择 一个完整的激光雷达硬件可分为扫描模块、发射模块、接收模块及控制模块，其中扫描模块主要作用为通过扫描器的机械运动控制光的传播方向，实现对特定区域的扫描，扫描形式的选择主要影响探测范围广度及激光雷达整体的耐用及稳定性；发射模块负责激光源的发射，不同光源及发射形式的选择影响射出光的能量大小，继而影响光源可达到的探测范围深度；接收模块则负责接收返回光，不同探测器的选择影响对返回光子的探测灵敏度，继而影响激光雷达整体可探测的距离及范围；控制模块主要通过算法处理生成最终的点云模型，以供后续自动驾驶决策算法参考生成后续行进策略。 扫描技术发展概览 半固态扫描激光雷达逐步进入乘用车商用起步阶段 激光雷达在早期0到1的车载探索阶段主要依靠机械式激光雷达在Robotaxi测试车队上的应用，Robotaxi测试车队由于会定期对车辆进行专业维护，同时对车辆改装外观无要求，因此机械式激光雷达较大的体积及较短的使用寿命对于此类B端客户并非不可接受的缺点，也因此承担了激光雷达车载应用探索的角色。而随着半固态激光雷达在成本、体积、耐用性等方面的改进，激光雷达逐步进入乘用车市场的商用起步阶段，除性能指标外，集成度、可量产、成本等都是此阶段需要重点考虑的问题。而未来随着相关固态技术逐渐成熟，激光雷达将成为成熟的车载商用传感器。 扫描技术发展现状 – 半固态式 转镜式及MEMS振镜式均可通过不同方式满足ADAS需求 半固态方案主要分为转镜式及MEMS振镜式。其中转镜式的主要运动部件为无刷电机，由于无刷电机已在工业中广泛应用多年，部件稳定性已有可靠验证，且供应链较为成熟，因此转镜式扫描模块可实现快速应用。但由于电机为金属机械部件，因此在体积的小型化发展上受限，且成本下降空间有限，目前主要依靠工程设计对转镜方案进行改进，形成如棱镜、多面镜等不同转镜方案。 MEMS振镜相比转镜式去除了金属机械结构部件，运动部件仅为一面悬浮在两对扭杆之上的微型反射镜（通常为3-7mm直径）。MEMS振镜整体结构通常为硅基材料，因此有较大的小型化及降成本空间。但MEMS振镜受制于器材性质，难以同时在大镜面尺寸（影响测量距离）、最大偏转角（影响视场角）、高扫描频率（影响刷新率）上同时达到最优，同时较大尺寸的振镜也会对扭杆的耐久疲劳度造成压力，因此车规应用上的性能提升空间有限。为弥补器材限制，MEMS振镜可通过改变振镜振幅、频率以及速度控制其运动轨迹，从而在一定程度上自由调整视场角、扫描频率及分辨率，通过动态扫描（远距离聚焦或中近距离大范围观测）满足感知需求。目前MEMS振镜主要通过改进电磁驱动的封装设计提高振镜驱动力，以此实现更高的扫描性能。 总体而言，转镜及MEMS振镜扫描方案均已可满足ADAS感知需求，各厂商依据自身技术积累优势选择不同的技术路线，通过大规模的车载商用积累反馈经验对产品进行迭代升级，以此做出更契合主机厂需求的产品。 扫描技术发展现状 – 固态式 一维OPA扫描器仍需解决竖向偏转角度及商用成本问题 光学相控阵（OPA）扫描方式通常可以分为MEMS式、液晶式或硅光式，其中MEMS式由于含有运动部件因此不属于固态式扫描范畴，而液晶式的最大有效扫描角度通常在±10°，转动时间通常为毫秒级，难以到达车载扫描要求，因此硅光式是较为可行的研发路径，通过下图中逐年实验室研发成果可看出，实验室阶段OPA扫描的横向偏转角度逐年保持较大进步，角分辨率则在2018年南加州大学的实验中实现突破，但此次实验中天线阵元数达到1024个，天线间距仅为2µm，此类加工制造要求目前实现商用仍成本较高，同时大量的光学天线意味着校准过程需要花费大量的时间，对于后端算法的要求也进一步提高，因此距离商用仍有一定距离。 虽然横向角度通过优化天线阵列设计持续有所突破，但对于多数一维OPA，调整竖向偏转角的方法主要依靠调整波长，目前最高效的波长偏转为0.3°/nm，大多数实验集中在0.15°/nm，实验进展相对缓慢。对于20-30°的竖向FOV要求，需要激光源的可调范围为100-200nm，而具有此广域可调范围的激光器价格昂贵，同时对于车载环境也有所限制；目前广泛应用于光通信领域的iTLA具有100nm的可调范围，但其调整速度难以达到车载激光雷达的刷新率要求，因此一维OPA的竖向偏转角度仍是研究重点。而二维OPA随着偏转角度的增长需要指天线数量指数级的增长（N2），现阶段从设计及成本角度均难以实现车规要求，相比一维OPA需要更长时间的实验发展。 光学技术发展现状 – 探测方式 ToF成熟度高，FMCW仍需解决调频机制及商用成本等问题 激光雷达的物体探测方式主要分为飞行时间（ToF）及调频连续波（FMCW）两种方式，其中ToF的主要优点是技术成熟度高，直接根据光源发射及返回的时间差通过光速测量距离，在制造工艺上，除激光器外的主要部件均可采用硅基CMOS工艺，成本可快速下降；而FMCW主要问题是技术成熟度低，通过线性调制激光光频得到发射及返回信号的频率差，间接获得飞行时间反推出被测目标的距离及速度。目前FMCW主要面临调频机制未解决的问题，内调制方式的难点在于高调谐速率和窄线宽是一对无法同时满足的指标，提高其中一个指标即意味着另一指标的降低。外调制方式所用的电光调制器目前成本仍较高，同时FMCW探测方式对于后端的高速模数转换器（ADC）、数字信号处理（DSP）等器件性能要求更高，进一步推高了目前的商用成本；可以看到对应FMCW的主要优点，ToF都有对应的解决方案，虽然并非完美的解决方案，但从商用性价比的角度目前ToF方式更为实用，而FMCW方式则需要进一步解决技术及商用成本上的问题。 光学技术发展现状 – 激光光源 905nm在ToF下有成本优势， 1550nm更适配FMCW 目前使用905纳米光源的激光雷达最大探测距离多数集中在150到200米之间（10%反射率），已接近人眼安全限制功率下的极限测试距离。而更远的探测距离则需要换成对人眼更安全的1550纳米光源，此波长下可以使用更大的光功率来实现更远的距离。然而1550 纳米激光器使用的是价格较高的磷化铟（Inp）材料，此外还需要跟昂贵的铟镓砷（GaAs）探测器配对使用（硅材料无法探测到1550nm波长光），因此成本居高不下。相对的，905纳米激光器的优势则是接收端可以使用硅基探测器，而硅基CMOS工艺具有低成本及成熟工艺等优点。同时1550纳米在ToF方式下对于雨雾天气相比905纳米面临探测距离缩减更严重的问题，随着降雨量提升衰减程度相比905纳米更为严重，因此对于目前L2阶段905纳米激光器是性价比更高的选择。 而1550纳米波长更适用于FMCW模式的激光雷达，这是由于FMCW激光雷达中信噪比与传输的光子总数成正比，而非峰值功率，因此FMCW模式所需的光源功率可由ToF所需的100W降至100-150mW，从而降低1550纳米激光器的成本。同时通过右侧实验数据可看出，在模拟雾气环境下，FMCW的信噪比优于脉冲激光，并且随着调制频率的增加，信噪比还会继续升高，高信噪比意味着更好的探测性能，因此随着FMCW探测方式的成熟，1550纳米激光器与其搭配可以在较低成本下使激光雷达提供更高的探测性能及环境可靠性。 激光雷达技术发展总结 激光雷达将依次解决扫描、探测、集成技术的发展 半固态扫描模块已较为成熟，相关产品逐渐通过商用反馈进行工程改进。半固态激光雷达的商用可以帮助激光雷达厂商在早期积累车载使用经验，帮助后续固态激光雷达产品的设计做到与主机厂需求更好的契合。收发光学方案的发展则涉及基础学科知识的积累，需要大量实验组合确认可商业化方案。而半导体集成技术及光子集成技术可使激光雷达的成本快速降低，并实现激光雷达的模块化生产组装。 激光雷达市场规模
车载激光雷达市场受乘用车及Robotaxi需求推动持续增长 早期机械式激光雷达难以应用于乘用车上，半固态激光雷达仍处于车规验证中，因此上车进展缓慢。进入2022年，半固态激光雷达的成熟使其在乘用车市场逐渐爆发，随着主机厂对激光雷达功能开发的深入以及激光雷达成本的降低，激光雷达搭载车型数量将在短时间内保持较高增速；而Robotaxi也在政府及下游企业的共同推动下持续开城，测试及运营车队数量将保持稳定增长。车载激光雷达市场有望自2021年4.6亿元增长至2025年54.7亿元，实现85.8%的年复合增长率。 车载激光雷达产业链图谱 激光雷达企业商业发展现状 产品选择方向多样化，通过上下游不同策略增强自身竞争力 目前车载激光雷达仍处于发展初期，不同厂商在产品方向上有不同的选择。产品设计生产上，对于半固态产品，部分企业选择自研或合作研发关键部件（如MEMS振镜），以此实现已落地商用产品的快速迭代升级，而采购方式虽难以保证与上游供应商的高效合作迭代，但可直接应用成熟零部件，更利于帮助产品在初期快速打入市场。对于固态产品，部分激光雷达厂商选择自研核心光学技术或收购上游企业以保证未来产品的技术领先性及后期产能。 产品销售上，与传统汽车供应链等级森严的格局相比，目前新的汽车供应链中主机厂的参与度逐渐加深，供应链趋于扁平化，主机厂通过掌控部分自动驾驶核心技术来试图摆脱对Tier1供应商的完全依赖，由此为激光雷达企业带来了直接与主机厂合作的机会。与主机厂的直接合作方便快速形成符合其特定需求的标准化方案，从而更快实现激光雷达产品的集成化方案，然而由于各厂商仍在通过不同方案探索激光雷达的部署方案，因此符合特定主机厂的方案可能无法适用于其他车企的要求。另外，部分激光雷达企业希望通过提供软硬件结合的服务方式提升自身竞争力，从提供SDK到感知、决策、执行全栈算法模块，不同厂商依据自身实力选择不同的服务策略，而整体目标则是向Tier 1供应商靠拢，不仅是单纯的零部件供应商，而是为主机厂提供整套感知解决方案，降低后者的二次开发成本。从长期看，各车企之间自动驾驶能力的差异点在于决策算法而非感知环节，因此提供感知算法可增加自身产品对未计划或不具备自研感知算法主机厂的附加值。 车载激光雷达全球产品现状 转镜及MEMS振镜产品性能已均可满足ADAS功能需求 在目前已商用的半固态激光雷达中，国内外厂商产品在性能上较为接近，且不同扫描方案产品在性能上已达到ADAS功能的感知要求。同时随着MEMS振镜技术的成熟，主机厂对MEMS方案的青睐度有所提升，上车品牌逐渐增多。目前国内激光雷达厂商的客户以对自动驾驶探索更为积极的国内新势力品牌为主，在主要依赖工程经验作为改进基础的半固态激光雷达上更具迭代优势，可通过与国内汽车品牌更高效的沟通反馈实现对产品的高效更新。 车载激光雷达全球研发现状 国内研究水平处于前列，国外部分厂商更先一步走向集成化 在部分前沿底层光学技术研发中，受益于底层物理等基础学科知识的积累优势，美国在多个领域均具有一定优势，而国内虽在部分领域有一定差距，但仍处于世界前列，在前沿技术发展上有较强的竞争实力。随着光学技术的成熟，激光雷达光学系统方案将逐渐标准化，芯片集成设计能力将成为激光雷达厂商的核心竞争壁垒。由于车载激光雷达目前统一的技术路线尚未确定，因此当前厂商在芯片制造上主要以基于FPGA的解决方案为主。FPGA适用于需要频繁修改和升级的系统架构，芯片可以随算法的开发而定制，以此响应汽车激光雷达系统不断演进的设计与性能要求。而基于ASIC的解决方案则更适用于永久性应用，使用ASIC芯片则意味着激光雷达厂商对于现阶段的产品系统设计已形成标准化方案，可以利用ASIC大批量量产的成本效益降低激光雷达产品成本。目前国外部分厂商已实现基于ASIC的激光雷达产品解决方案，在形成标准化方案上更为领先。如Ouster的Flash激光雷达将接收模块及主控模块集成至基于ASIC的单一SoC中，配合发射模块的激光器及VCSEL驱动芯片，实现了Flash激光雷达的模块化生产。未来随着OPA及FMCW等技术的成熟，芯片集成能力的差别将拉开不同激光雷达厂商的竞争能力。 车载激光雷达产品发展趋势总结
伴随硬件的发展成熟激光雷达厂商将提供更全面的感知服务 激光雷达作为近年来首次应用于乘用车的传感器给予了各初创厂商与传统供应商同台竞技的机会，各厂商的发展将同时伴随产品技术的提升及自身车载经验的积累。激光雷达厂商早期将通过半固态产品的车载应用与主机厂共同探索激光雷达在乘用车上的部署及应用方式，而随着固态产品技术的成熟，激光雷达将受到更多主机厂的接纳，各激光雷达厂商随着车载商用经验的积累也不仅限于提供硬件产品，而是通过提供软硬件结合的服务方式提升自身竞争力，帮助主机厂实现感知模块的快速应用。 以上为简版内容，?点击下方图片
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