（報告出品方/作者：中信證券，丁奇、楊澤原）
創(chuàng )新之處
1、直觀(guān)展示了激光雷達的關(guān)鍵結構。投資人對各家激光雷達的掃描方式、激光器、 以及其它核心零部件缺乏系統、直觀(guān)的認知，為此我們拆解了五款激光雷達，包含鐳神智 能 C16（機械式）、鐳神智能 CH32（轉鏡式，主要用于路側和物流車(chē)）以及三款車(chē)規級產(chǎn) 品，即圖達通 falcon（轉鏡+振鏡二維掃描，搭載在蔚來(lái) ET7、ET5、ES7 上）、速騰聚創(chuàng ) M1（MEMS，搭載在小鵬 G9、智己 L7、長(cháng)城 Wey 等一系列車(chē)型上）、大疆覽沃 HAP（雙 楔形棱鏡，搭載在小鵬 P5 上）。對于無(wú)法用肉眼看清楚的激光發(fā)射芯片、APD 接收芯片、 微透鏡、MEMS 鏡片等結構我們采用了高倍電子顯微鏡放大，以期讓投資人有更直觀(guān)、更 清晰的認知。
2、深入解答了投資人的多個(gè)疑問(wèn)。 a) 集中度問(wèn)題：針對投資人擔心激光雷達市場(chǎng)參與者眾多，行業(yè)集中度會(huì )比較分散， 我們在第三章通過(guò)和攝像頭、毫米波雷達的對比，分析了激光雷達的車(chē)規難度，認為激光 雷達壁壘高于另外幾類(lèi)傳感器，預計將有較高的集中度，國內 CR5 的穩態(tài)集中度可能在 80%以上。 b) 毛利率問(wèn)題：針對投資人關(guān)心的激光雷達毛利率問(wèn)題，我們復盤(pán)了過(guò)去三年國內 主要汽車(chē)零部件的毛利率、凈利率區間，以及海外功率芯片、大算力芯片的毛利率區間，結合我們預計激光雷達的車(chē)規、算法和整機耦合、頭部廠(chǎng)商會(huì )進(jìn)行垂直一體化 的觀(guān)點(diǎn)，給出激光雷達在完成不同價(jià)值量工作時(shí)可能對應的毛利率。 c) 供應鏈投資問(wèn)題：正因為我們認為激光雷達整機將有較高的集中度，我們提出激光 雷達產(chǎn)業(yè)鏈的投資應該圍繞頭部激光雷達公司的供應鏈展開(kāi)，而不是圍繞什么公司做了什 么產(chǎn)品展開(kāi)。由于激光雷達目前處于發(fā)展早期，供應鏈的變化具有很大的不確定性，尋找 頭部激光雷達公司供應鏈的變化或將成為未來(lái)幾年激光雷達投資的重點(diǎn)。
d) EEL 和 VCSEL 格局問(wèn)題，TEC 是否需要應用問(wèn)題：針對投資人不理解為什么歐 司朗在 905nm 的 EEL 光源方面有極高的市占率，后續發(fā)展趨勢會(huì )怎樣，以及激光雷達后 續是否需要 TEC 進(jìn)行降溫，我們在第四章第一節指出，根據歐司朗的專(zhuān)利《WO 2021/214174 Al》，其在 905nm EEL 低溫漂光芯片的專(zhuān)利極難繞過(guò)，預計很難有廠(chǎng)商能夠 顛覆歐司朗在 EEL 上的地位。隨著(zhù)各激光雷達廠(chǎng)商在光源側紛紛開(kāi)始選擇 VCSEL 光源（比 如禾賽科技、華為），我們判斷國內 VCSEL 廠(chǎng)商長(cháng)光華芯、縱慧光芯將迎來(lái)發(fā)展良機。我 們同時(shí)指出，由于 EEL 的溫漂問(wèn)題已被歐司朗解決，VCSEL 芯片又天然具有低溫漂的特 性，TEC 后續在激光雷達上將難有用武之地。 e) 接收端問(wèn)題：由于當前二級市場(chǎng)沒(méi)有 APD、SiPM、SPAD 標的，接收端的研究長(cháng) 期被忽視。實(shí)際上，當前 905nm 都開(kāi)始逐步采用 SiPM、SPAD，相關(guān)產(chǎn)品有較高的技術(shù) 壁壘，目前激光雷達基本采用的是索尼、濱松等海外產(chǎn)品。隨著(zhù)國內激光雷達的發(fā)展，接 收端相關(guān)公司預計將迎來(lái)投資機遇。
激光雷達：遠期想象空間帶來(lái)高估值，明年有望放量 迎來(lái)投資時(shí)間窗
價(jià)值辨析：激光雷達是 L4 收斂 Corner Case 的關(guān)鍵手段
激光雷達領(lǐng)域投資第一個(gè)遇到的挑戰就是特斯拉為什么不用激光雷達？當前全球的 自動(dòng)駕駛（包括特斯拉）應當說(shuō)都還處于 L2+的水平，遇到無(wú)法處理的 Corner Case，還 是交給人來(lái)解決。到了 L4 之后，不再有人接管的選項就意味著(zhù) L4 系統處理 Corner Case 的能力要大大的提升。眾所周知，對于自動(dòng)駕駛或者輔助駕駛算法而言，難點(diǎn)首先在感知， 多數時(shí)候搭載 ADAS 算法的車(chē)出現安全事故，主要原因都是對于相關(guān)目標物體沒(méi)有有效識 別。那么后續什么零部件對于提升 ADAS 算法對不常見(jiàn)物體的感知最為有效，能夠大幅減 少 Corner Case 對于安全的影響呢？我們認為安裝激光雷達是最為直接有效的手段。 L4 要真正到來(lái)，業(yè)界普遍認為需要比人駕駛有更高的安全性。
目前高級駕駛輔助系統中普遍應用的傳感器有攝像頭和毫米波雷達。在物體的拍攝上， 攝像頭主要缺點(diǎn)是在暗光環(huán)境切換至亮光環(huán)境時(shí)易出現過(guò)曝光、在逆光條件下或攝像頭被 污漬遮擋便會(huì )嚴重影響其信息采集效果。同時(shí)，在物體識別上，由于智能汽車(chē) ADAS 前置 攝像頭的主流產(chǎn)品是單目和三目攝像頭，其測距原理都是先通過(guò)圖像匹配進(jìn)行目標識別 （各種車(chē)型、行人、物體等），再通過(guò)目標在圖像中的大小去估算目標距離。在估算距離 之前，首先要求準確識別目標，是車(chē)、行人、卡車(chē)、SUV 還是轎車(chē)，因此正確識別是正確 估計距離的第一步，為此，需要建立并持續維護巨大的示例特征數據庫以確保它包含要識 別的所有特征數據。在此背景下，遇到未訓練過(guò)的場(chǎng)景，攝像頭很難對距離進(jìn)行有效判斷， 從而容易發(fā)生事故。
市場(chǎng)空間：遠期千億美金空間，2027 年中國市場(chǎng)空間預計超過(guò) 50 億美金
資本市場(chǎng)給予了激光雷達的相關(guān)公司較高的估值，我們認為這跟激光雷達遠期（比如 2030 年或 2035 年，跟 L4 級自動(dòng)駕駛落地時(shí)間有關(guān)）的市場(chǎng)空間有較強的相關(guān)性。美股 上市的各家激光雷達公司對 2030 年的市場(chǎng)空間都抱有很高的預期。
那么中期的發(fā)貨量和市場(chǎng)規模會(huì )是怎樣呢？根據 Yole 的數據，從出貨量來(lái)看： 2018-2021 年，與 ADAS 有關(guān)的激光雷達出貨量總共約 15.6 萬(wàn)件，Yole 預計 2022 年出 貨量約 19.4 萬(wàn)件，2027 年達到 446.1 萬(wàn)件，2022-2027 年復合增長(cháng)率 87.1%。從市場(chǎng)規 模來(lái)看：2021 年全球激光雷達市場(chǎng)規模約 20.7 億美元，其中 ADAS 市場(chǎng)約 1.1 億美元。 Yole 預計到 2027 年全球激光雷達市場(chǎng)規模約 63.1 億美元，其中 ADAS 和自動(dòng)駕駛汽車(chē) 會(huì )分別以 73%和 28%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)至 20.1/7.0 億美元。
從實(shí)際落地情況來(lái)看，據我們統計，至 2022 年底，全球預計共有 32 款車(chē)型發(fā)布并搭 載激光雷達，其中售價(jià)或預計售價(jià)在 35 萬(wàn)以上的為 26 款，25-35 萬(wàn)為 5 款，25 萬(wàn)以下僅 1 款，其中有近三分之二方案由國內激光雷達廠(chǎng)商提供。同時(shí)，激光雷達已成為國內新能 源品牌高端車(chē)型的普遍配置，平均搭載價(jià)格隨著(zhù)國內激光雷達廠(chǎng)商的崛起已有明顯下探。 我們認為，隨著(zhù)智能化浪潮的進(jìn)一步深化，激光雷達的滲透率將得以迅速提升。我們通過(guò) 拆分價(jià)格區間，以汽車(chē)銷(xiāo)售量 X L2 級以上 ADAS 滲透率 X 激光雷達在 ADAS 方案中滲 透率 X 單車(chē)價(jià)值量的方法，測算得出 2022/2023/2024/2025/2026/2027 年國內激光雷達 市場(chǎng)規模分別對應 2.26/11.37/15.65/21.26/33.92/53.42 億美元。
我們預測的滲透率及市場(chǎng)空間高于 Yole 的預期：1）由于激光雷達主要用于智能駕駛， 所以我們首先估算所有乘用車(chē)中 L2 以及 L2+級別輔助駕駛的滲透率；2）然后在配備 L2 及以上級別輔助駕駛的車(chē)輛中估算激光雷達的滲透率，從而算出激光雷達在乘用車(chē)整體中 的滲透率；3）根據乘用車(chē)整體出貨量數據以及激光雷達滲透率數據即可得到激光雷達預 期出貨量；4）最后，量?jì)r(jià)相乘，根據激光雷達預期售價(jià)和預期出貨量，測算預期市場(chǎng)空 間。我們主要采用以下五點(diǎn)核心假設：
1. 價(jià)格方面，根據 Yole 的 ASP 數據（包含 905nm 前向雷達與補盲雷達）與我們 產(chǎn)業(yè)調研數據（1550nm 前向雷達），2022 年前向 905/前向 1550/補盲三種雷達 ASP 分別為 600/1150/300 美金。隨著(zhù) VCSEL 光源逐步替代 EEL 光源帶來(lái)成本 下降，以及激光雷達大規模量產(chǎn)帶來(lái)的成本攤薄，我們預計三種激光雷達價(jià)格將 逐步下降至 2027 年的 476/780/228 美金。
2. 數量方面，首先預測 L2 及以上級別輔助駕駛滲透率。根據高工智能研究院 2022H1 的數據，我們假設 2022 年 L2 以及 L2+滲透率與上半年保持穩定，預計 2022 年價(jià)位在 10 萬(wàn)以下/10-15 萬(wàn)/15-20 萬(wàn)/20-25 萬(wàn)/25-35 萬(wàn)/35 萬(wàn)以上 L2 及 L2+ADAS 滲透率分別為 0.85%/ 20.41%/ 32.55%/ 53.24%/ 49.53%/ 27.41%， 我們根據近年來(lái) ADAS 滲透率提升速度，假設 2027 年達到 25%/ 45%/ 65%/ 82.5%/ 82.5%/ 55%，總體滲透率從 2022年的 26.64%增長(cháng)至 2027年的 55.75%。
3. 更進(jìn)一步估算激光雷達在搭載L2以上輔助駕駛車(chē)型中的滲透率。根據我們統計， 2022 年以來(lái)，國內新能源廠(chǎng)商 35 萬(wàn)以上新車(chē)型基本做到標配激光雷達或提供激 光雷達選項，蔚小理等新勢力和北汽、上汽、廣汽等廠(chǎng)商均是如此；而國外廠(chǎng)商 如 BBA、大眾、通用、日產(chǎn)等廠(chǎng)商激光雷達量產(chǎn)上車(chē)規劃集中在 2024、2025 年。 因此我們預計 2025 年左右，在配備 L2 的中高端車(chē)型中，激光雷達會(huì )接近成為標 配。我們預計 2023 年，10-15 萬(wàn)/15-20 萬(wàn)/20-25 萬(wàn)/25-35 萬(wàn)/35 萬(wàn)以上 L2 及 L2+ADAS 方案中激光雷達的滲透率分別為 0%/0%/5%/30%/60%，2027 年達到 10%/25%/50%/85%/90% ， 對 應 全 部 乘用車(chē) 中 激 光 雷 達 分 價(jià) 位 滲 透 率 4.5%/16.3%/41.3%/70.1%/49.5%，總體乘用車(chē)滲透率從 2022 年的 0.70%增長(cháng) 至 2027 年的 23.61%。
4. 數量方面除了滲透率，還需要估算單車(chē)配備激光雷達的數量。我們預計，到 2027 年，ADAS 雷達方案根據市場(chǎng)定位將主要分為單前向雷達、1 前向+2 補盲雷達兩 種方案。
5. 最后，乘用車(chē)總銷(xiāo)量近年來(lái)保持相對穩定。中信證券研究部汽車(chē)組預計隨著(zhù)疫情 與經(jīng)濟情況改善，乘用車(chē)整體銷(xiāo)量和價(jià)格區間將有小幅上升，預計銷(xiāo)量將從 2021 年的 2148.2 萬(wàn)輛增長(cháng)至 2027 年的 2507.4 萬(wàn)輛。
隨著(zhù)固態(tài)雷達方案的持續發(fā)展以及部件集中度的提高，單車(chē)價(jià)值量將會(huì )進(jìn)一步下降， 有利于激光雷達的量產(chǎn)使用，同時(shí)，隨著(zhù) L2+滲透率的提升以及 L3 方案的逐漸滲透，我 們預計 2030 年全球激光雷達市場(chǎng)規模將逐步擴大。
時(shí)間節奏：2022 年是上車(chē)元年，2023 年開(kāi)始集中放量
我們認為激光雷達行業(yè)拐點(diǎn)已至，從定點(diǎn)訂單、車(chē)型上市量、預計發(fā)貨量來(lái)看，今年 較以前均有較大提升，可以說(shuō) 2022 年為激光雷達上車(chē)元年。根據 Yole 的統計，從定點(diǎn)訂 單來(lái)看：2018-2021 年激光雷達公司共收獲 29 個(gè)定點(diǎn)，2022 年截至目前已有 26 個(gè)新定 點(diǎn)。從搭載車(chē)型上市情況來(lái)看，從奧迪 A8 搭載車(chē)載激光雷達算起，截至 2021 年底共有 13 款上市車(chē)型搭載激光雷達。2022 年預計有 22 款搭載激光雷達的新車(chē)上市。同樣根據 Yole，從 ADAS 發(fā)貨量來(lái)看，截止 2021 年底，全球共有 15.6 萬(wàn)臺 ADAS 激光雷達發(fā)貨， Yole 預計 2022 年有 22.1 萬(wàn)臺。
我們認為當前搭載激光雷達的駕駛方案正處于降本過(guò)程的第一個(gè)節點(diǎn)。激光雷達產(chǎn)業(yè) 鏈逐漸成熟，各雷達廠(chǎng)商生產(chǎn)良率提升，并隨著(zhù)發(fā)射、接收模組成本下降而逐步實(shí)現更優(yōu) 性能、更低價(jià)格，激光雷達 ASP 也迅速下降，超出 2020 年美股激光雷達廠(chǎng)商 IPO 時(shí)的整 體預期。根據 Yole 咨詢(xún)，2022 年截至 9 月，ADAS 功能相關(guān)的激光雷達平均價(jià)格約 579 美元，包括前向主雷達和短距離補盲雷達，其中前向主雷達約 662 美元，短距離補盲約 220 美元，預計會(huì )在 2027 分別降至 475 美元和 158 美元。
結合 IHS Markit 對于原材料的成本預測，即 2025 年，一方面由于 SPAD 和 VCSEL 的快速降本，另一方面由于掃描結構相對簡(jiǎn)單，悲觀(guān)/樂(lè )觀(guān)情況下激光雷達成本會(huì )降至 305.1/182.2 美元，35%毛利率對應單價(jià) 469/280 美元。
我們認為，激光雷達的上車(chē)會(huì )首先集中在新能源廠(chǎng)商。傳統主機廠(chǎng)如奔馳、寶馬、奧 迪、大眾、通用、日產(chǎn)等節奏相對較慢，除在高端車(chē)型進(jìn)行一定試點(diǎn)外，目前量產(chǎn)規劃都 在 2024、2025 年。而目前國內新能源廠(chǎng)商在 35 萬(wàn)以上的高端車(chē)上已經(jīng)做到了普及，如 蔚來(lái)、理想近年上市的車(chē)型 ET7、ES7、ET5、L9 等都全線(xiàn)標配激光雷達。小鵬、上汽、 北汽、廣汽的高端車(chē)型也都具有搭載激光雷達選項，我們預計這部分市場(chǎng)會(huì )在 2023 年開(kāi) 始集中兌現，并隨著(zhù)傳統主機廠(chǎng)的加入在 2024-2025 年持續增長(cháng)，參考毫米波雷達以及 L2 方案的滲透過(guò)程，接下來(lái)有望下沉到 20-35 萬(wàn)價(jià)格區間，并預計在 2025 年在該區間達 到約 31.2%的滲透率。 根據高工智能研究院的數據，2022 年上半年，中國市場(chǎng)（不含進(jìn)出口）乘用車(chē)搭載 前向 ADAS 上險量為 416.7 萬(wàn)輛，前裝搭載率達到 46.8%，L2 級上險量 237.0 萬(wàn)輛，前裝搭載率達到 26.6%。2019-2022H1，L2 滲透率從 3.5%增長(cháng)至 26.6%，主要由其價(jià)格區 間的快速下探導致。根據高工智能研究院的預測，L2的滲透率會(huì )在 2025年至少達到 50%， 我們保守估計約 43.71%。屆時(shí)，激光雷達會(huì )成為高價(jià)格區間內 L2 級 ADAS 的標配。
從拆機看整機：整機是最有價(jià)值的投資方向，行業(yè)將 有較高集中度
雖然目前激光雷達行業(yè)參與者眾多，格局看起來(lái)非常分散，但是在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條里， 我們依然認為整機是最有投資價(jià)值的方向。除了整機的單車(chē)價(jià)值量高以外，我們還認為長(cháng) 期來(lái)看整機的集中度會(huì )相對集中，國內 CR5可能會(huì )高達85%，毛利率可能會(huì )達到 35%-40%， 雖然參與廠(chǎng)商眾多，但預計會(huì )逐步走向集中化。
第一，激光雷達的上車(chē)難度遠高于另外兩類(lèi)傳感器和眾多零部件。第二，由于光學(xué)路 徑設計的非標，激光雷達的算法和整機是一個(gè)耦合的關(guān)系。第三，頭部公司在進(jìn)行電芯片的 SOC 整合，長(cháng)期來(lái)看會(huì )通過(guò) SOC 構筑競爭壁壘。 投資價(jià)值：高壁壘帶來(lái)高集中度，軟硬件耦合預計毛利率區間 35%-40% 無(wú)論是車(chē)規難度，還是算法耦合、芯片自研，從投資的視角它們有一個(gè)共同的屬性， 即什么會(huì )形成激光雷達行業(yè)的壁壘。我們希望通過(guò)和其它汽車(chē)零部件尤其是攝像頭、毫米 波雷達、超聲波雷達等幾類(lèi)傳感器的對比來(lái)判斷激光雷達未來(lái)可能的行業(yè)集中度和毛利率 區間。 對比不同的傳感器，我們發(fā)現，從攝像頭到毫米波雷達，產(chǎn)品復雜度提升，壁壘越來(lái) 越高，市場(chǎng)集中度也越來(lái)越高。在毫米波雷達市場(chǎng)內部也有類(lèi)似現象，難度較高的前向毫 米波雷達市場(chǎng)集中度明顯高于角雷達。與之對應，壁壘越高毛利率也越高，例如 4D 毫米 波雷達技術(shù)難度和壁壘比普通毫米波雷達更高，對應領(lǐng)域的 Arbe 公司毛利率也達到了 70% 附近。
激光雷達與這些傳感器對比有更高的技術(shù)壁壘和車(chē)規級難度，因此我們認為長(cháng)期來(lái)看， 激光雷達整機將具有比毫米波雷達和攝像頭模組更高的市場(chǎng)集中度，也應當有更高的毛利 率。關(guān)于激光雷達和毫米波雷達、攝像頭的對比，我們會(huì )在接下來(lái)三節里詳細地闡述。 如果將視野擴大到整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈，激光雷達又應當處于何處？我們對汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈上 的 A 股上市公司以及部分海外公司分行業(yè)進(jìn)行了統計。將公司聚類(lèi)為 20 余個(gè)行業(yè)，制作 氣泡圖，橫軸為三年加權平均毛利率，縱軸為三年加權平均凈利率，氣泡大小為三年行業(yè) 營(yíng)收總和（由于海外公司規模較大，業(yè)務(wù)范圍較廣，汽車(chē)業(yè)務(wù)通常僅為營(yíng)收的一部分，我 們僅統計了部分汽車(chē)業(yè)務(wù)占比較高的公司）。 對比結果呈現的規律仍舊是高壁壘帶來(lái)高毛利，例如功率半導體、車(chē)燈控制等。此外， 汽車(chē)芯片和算力芯片則有高毛利率。在整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中，我們認為激光雷達整機的壁壘 比當前 A 股大多功率半導體產(chǎn)品（芯片產(chǎn)品較少，模組封裝公司占比更高）更高，且也應 當高于車(chē)燈控制等行業(yè)。我們認為，激光雷達的毛利率區間可能在 35%-40%左右，凈利 率約為 12%-15%。
此外，如果激光雷達公司能夠進(jìn)一步提供上層算法或 ADAS 解決方案，其毛利率可能 更高。根據各家公司投資者交流會(huì )，多數美股激光雷達公司展望未來(lái)毛利率處于 50%-60% 區間。我們理解其毛利率可以拆分為軟件和硬件兩部分。硬件可以參考 Velodyne 傳感器 業(yè)務(wù)的毛利率，預期在 45%左右；軟件則主要包含高級 ADAS 功能，毛利率可以參考經(jīng) 緯恒潤的智能駕駛軟件方案和 Mobileye 的芯片加算法方案，分別約為 80%和 75%。但這一預期的主要問(wèn)題在于，主機廠(chǎng)未必樂(lè )于使用激光雷達廠(chǎng)商提供的 ADAS 解決方案或算法 方案，如果車(chē)企更傾向于自己掌握智能駕駛核心算法，則來(lái)自于算法的高毛利或難以實(shí)現。
車(chē)規壁壘：由于復雜的光學(xué)和機械結構，激光雷達的 DV、PV 有著(zhù)高門(mén)檻
要做一款車(chē)規級的激光雷達是殊為不易的。廠(chǎng)商的第一款車(chē)規級激光雷達，總歷時(shí)可 能接近四年半到五年時(shí)間，具體而言可以分為2+2+1。第一個(gè)2，是指概念設計到原 型機A 樣出來(lái)，大約需要 2 年時(shí)間。第二個(gè)2，是指從 B1 樣接洽開(kāi)始，一直到經(jīng) 過(guò)車(chē)企的 DV、PV 認證到 SOP，大約需要 2 年時(shí)間。第三個(gè)1，是指 SOP 之后，繼續 解決產(chǎn)能、良率、返修率等各種問(wèn)題。廠(chǎng)商的第二款車(chē)規級激光雷達，由于吸取了第一款 的經(jīng)驗教訓，這個(gè)過(guò)程有望縮短到 3 年左右。
激光雷達產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于早期階段，除了開(kāi)發(fā)周期長(cháng)以外，激光雷達還是一個(gè)集光學(xué)、 電子、機械為一體的設備，器件的認證和整機的認證有較高的門(mén)檻。如器件要滿(mǎn)足 AEC-Q102（汽車(chē)光電半導體相關(guān)測試）、AEC-Q103（汽車(chē)傳感器相關(guān)測試）等標準要求， 整車(chē)廠(chǎng)的 EMC（電磁兼容）、NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）要求，以及功能安全 ASIL-B(D） 等要求。整機測試要滿(mǎn)足 IATF16949 質(zhì)量管理體系、IEC60825 激光產(chǎn)品安全要求，能經(jīng) 受住-40℃至 125℃工作溫度，滿(mǎn)足 OEM 廠(chǎng)的 DV/PV 試驗（電子電氣試驗)等要求。
除了所采用的零部件應當滿(mǎn)足 AEC 車(chē)規標準外，主機廠(chǎng)的 DV/PV/PPAP 認證也必不 可少。DV 指設計驗證（Design Validation），是主要用于檢驗汽車(chē)電子零部件產(chǎn)品硬件 設計質(zhì)量的一種測試手段，DV 的測試項目及等級依據 OEM 企業(yè)標準（沒(méi)企標的按國標或 ISO 標準）進(jìn)行，產(chǎn)品通過(guò)試驗后才能進(jìn)入量產(chǎn)階段。根據我們的了解，車(chē)廠(chǎng)的 DV 測試 周期三個(gè)月到半年不等，一般需要至少兩輪 DV 才能滿(mǎn)足認證要求。 PV 指產(chǎn)品驗證（Product Validation），是用于檢驗產(chǎn)品量產(chǎn)質(zhì)量的一種測試手段， 一般測試項目來(lái)自于 DV，但較 DV 要少得多，側重于檢驗產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩定性 及一致性。一般一條產(chǎn)線(xiàn)工藝穩定，下來(lái)一批產(chǎn)品，經(jīng)過(guò) PV 之后驗證了產(chǎn)線(xiàn)工藝的性能， 后續一般只有工藝或者產(chǎn)品做了修改，才會(huì )再針對性的進(jìn)行相關(guān)的 PV。
極高的上車(chē)門(mén)檻也使得各廠(chǎng)商在當前沒(méi)有能力并行開(kāi)發(fā)多款車(chē)規級激光雷達。從其它 兩類(lèi)傳感器來(lái)看，前向傳感器的規格和性能會(huì )遠高于側向和后向傳感器，如毫米波雷達， 車(chē)的正前方一般會(huì )搭載 LRR（Long Range Radar，覆蓋距離約 200-250 米），而在側向會(huì ) 搭載 MRR（Middle Range Radar，覆蓋距離約 100 米）或 SRR（Short Range Radar， 覆蓋距離小于 30 米）；又如攝像頭，特斯拉的前攝達到 130 萬(wàn)像素，而側向翼子板和 B 柱的攝像頭僅為 30 萬(wàn)像素。 然而我們在激光雷達上看到了不一樣的配置。比如長(cháng)城的沙龍機甲龍上搭載了 4 顆華 為的激光雷達，前向、側向、后向為完全相同的規格；廣汽埃安上搭載了 3 顆速騰聚創(chuàng )的 激光雷達，前向和兩個(gè)側向激光雷達的規格也完全一樣。這從側面也驗證了當前車(chē)規級激 光雷達確實(shí)有著(zhù)很高的門(mén)檻。
算法壁壘：光學(xué)路徑設計非標使得激光雷達整機和算法必須是耦合的關(guān)系
投資者比較關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是攝像頭模組沒(méi)有高毛利率，激光雷達與攝像頭模組有多大區別，會(huì )不會(huì )和攝像頭模組一樣沒(méi)有高毛利？ 應該說(shuō)兩者的本質(zhì)差異比較大。攝像頭的封裝比較簡(jiǎn)單，標準化程度很高。
那么激光雷達包含了哪些算法呢。首先是點(diǎn)云生成的一系列算法，這個(gè)與硬件以及光 學(xué)設計是強耦合的關(guān)系，也稱(chēng)為嵌入式算法，包含以下四個(gè)方面。（1）光源生成：由 FPGA、 Laser Driver 及相關(guān)算法生成，同時(shí)由 FPGA 形成抗干擾編碼等；（2）光源掃描：電機、 MEMS 等相關(guān)部件的掃描算法、ROI 區域形成由 DSP 等器件來(lái)完成；（3）光源接收：信 號檢測、放大、噪聲濾除、近距離增強由 DSP 算法完成；（4）信號處理：點(diǎn)云生成、狀 態(tài)數據、消息數據等。 點(diǎn)云生成后，有的車(chē)企會(huì )需要激光雷達廠(chǎng)商提供目標識別算法，有的則不需要。目標 識別需要的算力比較大，如果 FPGA 算力不夠的話(huà)，通常需要到駕駛域控制進(jìn)行計算，比 如到 Orin 或者地平線(xiàn) J5 平臺上進(jìn)行計算。 類(lèi)似 Luminar 這樣的企業(yè)會(huì )走得更為靠前，會(huì )基于點(diǎn)云和目標識別做 ADAS 算法，比 如 ACC、AEB、LKA 乃至 L4 算法等。因此，Luminar 在財報里對 2025 年的毛利率也有 比較樂(lè )觀(guān)的估計，預計平均能到 60%。
芯片壁壘：頭部的激光雷達公司將在電芯片層面進(jìn)行垂直一體化
隨著(zhù)激光雷達自身的不斷發(fā)展，算法不斷成熟，其算法演進(jìn)也比以前更加穩定。隨著(zhù) 大量車(chē)型開(kāi)始搭載，激光雷達也開(kāi)始從實(shí)驗性質(zhì)的產(chǎn)品逐漸轉變成工業(yè)產(chǎn)品，客觀(guān)上軟件 的變動(dòng)也變得更小。在這樣的情況下，用 SoC 的形式將相對成熟的算法固化在電路中， 提升集成度，降低成本成為當前激光雷達廠(chǎng)商的考量。而且，隨著(zhù)出貨量增加，為其專(zhuān)門(mén) 設計一款 SoC 也成為了可行的選擇。在可見(jiàn)的未來(lái)，諸多固化在 FPGA 中的算法、用于 電機控制的 DSP 等都可能集成到 SoC 中，從而減少 FPGA 的使用量，降低成本。 在毫米波雷達中，SOC 化的過(guò)程早已完成。
從拆機看供應鏈：發(fā)射和接收是核心，FMCW 3-5 年 內難落地
由于 FMCW 激光雷達面臨激光器成本高、窄線(xiàn)寬線(xiàn)性、光波導器件表面公差難控制 等一系列問(wèn)題，我們認為 3-5 年之內難以成為實(shí)際落地方案，因此在供應鏈的探討中，我 們只討論 TOF 激光雷達，不對 FMCW 的激光器、調制器等部件展開(kāi)論述。 如上一章所述，我們認為激光雷達整機將有較高的集中度，因此供應鏈投資應當圍繞 頭部激光雷達公司的供應鏈中有核心壁壘的器件展開(kāi)。由于激光雷達目前處于發(fā)展早期， 供應鏈的變化具有很大的不確定性，因此尋找頭部激光雷達公司供應鏈的變化或將成為未 來(lái)幾年激光雷達投資的重點(diǎn)工作。
發(fā)射端：國產(chǎn)激光芯片從 VCSEL 開(kāi)始突破，快慢軸準直有較高壁壘
在激光雷達中，發(fā)射端是價(jià)值量最高、壁壘最高的環(huán)節之一。在發(fā)射端中，隨著(zhù)國內 產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線(xiàn)調整，905nm VCSEL 激光芯片等產(chǎn)品有望在市場(chǎng)實(shí) 現突破。此外，1550nm 光源也具備獨特優(yōu)勢，與主流的 905nm 形成錯位競爭，未來(lái)隨著(zhù) FMCW 測距路線(xiàn)的逐步發(fā)展，預計其份額還有進(jìn)一步增長(cháng)的空間。
光源：905nm 走向 VCSEL 大勢所趨，1550nm 實(shí)現錯位競爭
發(fā)射端的心臟就是光源。目前，決定光源技術(shù)路線(xiàn)的主要可以歸納為發(fā)光波長(cháng)、 激光器結構兩大指標。按照波長(cháng)劃分，最主流的是 905nm 波長(cháng)和 1550nm 波長(cháng)。按照結構來(lái)劃分則主要分為 EEL（邊發(fā)射激光器）、VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），以及 1550nm 使用的光纖激光器。 光源的選擇制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、人眼安全四大要素。光源選 擇完之后，需要解決光源校準、溫漂、無(wú)熱化三大問(wèn)題。接下來(lái)我們將從一些重點(diǎn)關(guān)注的 問(wèn)題出發(fā)，分析不同技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)劣勢與特點(diǎn)，以及對應產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節的壁壘和價(jià)值。 本節主要回答以下問(wèn)題。1、為什么激光雷達會(huì )選擇在 905nm 和 1550nm 發(fā)光；2、 905nm 和 1550nm 各有什么優(yōu)勢，各自的應用場(chǎng)景是什么？3、為什么歐司朗在 905nmEEL 的一家獨大的局面難以動(dòng)搖；4、為什么 905nm VCSEL 會(huì )成為產(chǎn)業(yè)趨勢；5、 為什么 TEC 在激光雷達里不再被需要；6、為什么激光器里需要加快慢軸準直。
1、為什么是 905nm 與 1550nm？自然傳播窗口與產(chǎn)業(yè)鏈成熟度共同決定
首先，為何有 905nm 與 1550nm 兩條路線(xiàn)，而不是其他波長(cháng)？這首先受到激光傳播 窗口的限制。大氣吸收譜限制了哪些激光波長(cháng)能夠在空氣中使用，比如 300nm 以下的短 波會(huì )被臭氧吸收，1 微米以上的紅外波長(cháng)又經(jīng)常會(huì )被水蒸氣吸收，所以激光器通常只能在 少數特定窗口工作。
2、選擇 905nm 還是 1550nm？允許的峰值功率高使得 1550nm 有探測優(yōu)勢， 材料體系使得 905nm 有成本優(yōu)勢
在 905nm 與 1550nm 光源中如何做選擇？主要還是取決于需求。激光雷達用戶(hù)對激 光雷達的首要需求就是看得遠（發(fā)光功率大）、看得清（分辨率高，激光器點(diǎn)頻高）。激光 雷達需要看多遠？主要取決于制動(dòng)距離。在通常的柏油路面上，120km/h 條件下，制動(dòng)距 離接近 130 米，所以需要確保探測距離在制動(dòng)距離之上，才能在高速場(chǎng)景下保障安全。
那么是否現有的 905nm 和 1550nm 激光雷達都能做到足夠長(cháng)的探測距離？其實(shí)不然。 1550nm 激光器由于采用光纖能夠放大激光，因此其功率更大，幾毫瓦功率的種子光源經(jīng) 過(guò)光纖放大，瞬時(shí)發(fā)光功率可達 1kW 級別（905nm 激光器則只有 100W 級別）。大功率帶 來(lái)的好處是探測距離更遠，根據目前各家產(chǎn)品參數，1550nm 激光雷達對 10%反射率物體 的探測距離通常能夠達到 250m 以上（905nm 大多在 150m@10%左右）。對 10%反射率 物體具備 150m 探測距離有些時(shí)候是不夠的，其原因在于有大量低反射率物體，比如動(dòng)物 毛皮、輪胎等，這些物體同樣會(huì )影響駕駛安全，但激光雷達對其探測距離往往會(huì )大幅縮減， 在這種情況下，1550nm 激光雷達會(huì )有更高的安全系數。
既然探測距離主要跟激光的功率有關(guān)，那么 905nm 激光雷達為什么不通過(guò)增加功率 來(lái)提升探測距離呢，這里遇到的主要挑戰是人眼安全。所謂人眼安全就是激光雷達不能明 顯加熱人的眼球結構，不能燒壞視網(wǎng)膜、晶狀體、玻璃體、角膜等重要的光學(xué)結構。視網(wǎng) 膜是視神經(jīng)的延伸，如果損壞將直接導致視力永久性損失。晶狀體、玻璃體等前部光學(xué)部 件如果損壞，則可能導致白內障等病癥，同樣會(huì )導致視力嚴重損失。
而要保證不損傷人眼，需要滿(mǎn)足何種功率限制？這方面 ANSI 和 IEC 等權威組織已經(jīng) 有了較為明確的結論。由于紅外激光對人眼的損傷通常屬于加熱效應，因此需要保證激光 照射不導致明顯的溫升。由于發(fā)熱等于功率和時(shí)間的乘積，因此要滿(mǎn)足盡量不發(fā)熱，只需 要激光照射的時(shí)間足夠短，或者連續照射功率足夠小即可。 由于 905nm 更接近可見(jiàn)光，視網(wǎng)膜對其更敏感，同時(shí)液態(tài)水對其吸收也更少，因此 這種光線(xiàn)更容易直達視網(wǎng)膜。相比而言，1550nm 容易被水吸收，因此在抵達視網(wǎng)膜之前 已經(jīng)被玻璃體等前部結構進(jìn)行一輪吸收，抵達視網(wǎng)膜的較少。同時(shí) 1550nm 光折射率更大， 即便是抵達視網(wǎng)膜，也不容易聚焦成很小的光點(diǎn)，能量相對分散，進(jìn)一步減小了損傷。
基于以上原因，在連續波情況下，1550nm 激光的人眼安全功率達到 905nm 的 10 倍 ，如果是瞬間發(fā)光則倍數更多，如果發(fā)光控制在納秒級別（激光雷達通 常一個(gè)脈沖只有幾個(gè)納秒），那么 1550nm 激光人眼允許的強度可以更高。
所以，905nm 激光功率不能再大幅增加的原因在于人眼安全，1550nm 的探測距離優(yōu) 勢將繼續保持。然而，1550nm 激光器的短板是其成本更高。 905 體系近紅外激光器發(fā)展較早，是基于 GaAs 材料體系的（其他近紅外激光器如 850/865nm、1064nm 等也使用 GaAs 類(lèi)材料），最早的 LED（半導體發(fā)光二極管）、最早 的半導體激光器都是基于 GaAs 開(kāi)發(fā)的，可以說(shuō)產(chǎn)業(yè)十分成熟，成本已經(jīng)很低。 而另一條路線(xiàn) 1550 所使用的激光器種子光源材料為 InGaAsP，需要基于 InP 體系開(kāi) 發(fā)，一方面其發(fā)展比 GaAs 要晚一些，另一方面 In 元素本身也更稀有，成本也更高。根據 Chemical Book 網(wǎng)站的數據，銦的地殼豐度只有百萬(wàn)分之 0.05，與銀相近，其稀有性決定 了其價(jià)格必然較高。Yole 對 InP EEL、GaAs VCSEL、GaAs EEL 的成本進(jìn)行了對比（由 于反射效率、散熱效率等物理層面問(wèn)題，InP 體系目前沒(méi)有實(shí)用的 VCSEL 激光器）。橙色 部分顯示的是晶圓基片的成本，從中可見(jiàn)，雖然 6 寸晶圓的面積是 4 寸晶圓的 2.25 倍， 但是 4 寸的 InP 晶圓基片成本卻比 6 寸 GaAs 晶圓基片貴 3 倍多，如果換算成單位面積成 本，那么差距就更大了。
1550nm 激光器的成本受到材料因素與激光器類(lèi)型因素的限制，并非是通過(guò)大規模生 產(chǎn)就能夠降低到 905nm 激光器同一水平的。 綜上所述，受到人眼限制，1550nm 路線(xiàn)的探測距離優(yōu)勢明顯，而受到材料限制， 905nm 路線(xiàn)的成本優(yōu)勢也同樣明顯，因此二者構成錯位競爭。預計 1550nm 激光雷達將 主要用于以安全性為核心賣(mài)點(diǎn)的車(chē)輛（如沃爾沃等）、價(jià)位和品牌定位較為高檔的車(chē)輛（如 蔚來(lái)、奔馳、上汽飛凡 R 等）、重卡（剎車(chē)距離較長(cháng)，奔馳重卡采用 1550nm 激光雷達） 等特殊定位的車(chē)輛。其余車(chē)輛受限于成本，則更適合采用 905nm 激光雷達。 不過(guò) 1550nm 和 905nm 的功率特性也對其成本有所影響。通常 1550 路線(xiàn)的激光器 較少，一般只需要一個(gè)光纖激光器（包含一個(gè)泵浦光源和一個(gè)種子光源），之后還可以對 光纖中的激光進(jìn)行分束，1 個(gè)激光器就能同時(shí)打出多個(gè)光點(diǎn)，例如圖達通 falcon 采用 1 分 4 設計，1 個(gè)激光器可同時(shí)產(chǎn)生 4 條光束進(jìn)行掃描。而 905nm 路線(xiàn)的激光器由于功率有限， 通常無(wú)法分束，需要的激光器數量更多，比如速騰 M1 就采用了 5 個(gè)收發(fā)模組同時(shí)發(fā)光， 5 個(gè)激光器同時(shí)發(fā)光進(jìn)行掃描。禾賽 AT128 則配置更為豪華，直接采用 128 個(gè) VCSEL 激 光器來(lái)實(shí)現 128 線(xiàn)掃描?？梢哉f(shuō) 1550nm 激光的高功率特性在一定程度上縮小了與 905 的成本差距。
3、905nm EEL，歐司朗一家獨大局面暫難改變
905nm 路線(xiàn)又分為 EEL 和 VCSEL，目前全球和國內的 905nm EEL 的光芯片基本采 用了歐司朗的光芯片。除了有先發(fā)優(yōu)勢外，另一大原因就是歐司朗后來(lái)在低溫漂 EEL 上通 過(guò)專(zhuān)利構筑了自己的優(yōu)勢，而溫漂是激光雷達的一個(gè)很大的挑戰。
4、低成本，VCSEL 取代 EEL 大勢所趨
雖然目前激光雷達領(lǐng)域的光源還是以 EEL 為主，但在 905nm 波長(cháng)上，隨著(zhù)多結工藝 提升了發(fā)光功率，VCSEL 替換 EEL 的趨勢越來(lái)越明顯，國內激光芯片企業(yè)迎來(lái)發(fā)展機遇。 VCSEL 取代 EEL 的首要原因是成本，由于 VCSEL 是上表面發(fā)光而不是側面發(fā)光， 不需要在側面進(jìn)行太多加工，只需要按照正常的半導體加工工藝批量處理即可。而 EEL 是側面發(fā)光，所以在形成晶圓后還需要進(jìn)行切割，分別對每個(gè)激光器的側表面進(jìn)行處理、 鍍膜，無(wú)法按照現有半導體工藝來(lái)一次性處理整個(gè)晶圓的激光器，成本較高。按照 Yole 的統計，EEL的后道處理工序成本比VCSEL高了一倍以上。如果再考慮給EEL增加DBR， 就需要在 EEL 側面沉積多層晶體，成本會(huì )進(jìn)一步提高。
此前由于 VCSEL 發(fā)展較晚，而且更多用于消費電子，對大功率沒(méi)有需求，所以此前 的 VCSEL 大多都是單層結的，功率較小。而激光雷達的發(fā)展對大功率激光器提出了需求， 做出多層結的 VCSEL 并不存在原理上的困難，只是需要時(shí)間進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)，因此隨著(zhù)近 年來(lái) VCSEL 結數的不斷增加，最后一塊短板已經(jīng)被補齊，在激光雷達領(lǐng)域替代 EEL 已經(jīng) 完全可行。
5、為什么激光雷達里不需要加裝 TEC
另一種解決溫漂的思路就是主動(dòng)對激光器進(jìn)行溫度調節，正如現在的新能源車(chē)往往會(huì ) 對鋰電池進(jìn)行熱管理。但這一思路更加凸顯了 VCSEL 路線(xiàn)的優(yōu)越性。在需要維持光波長(cháng) 精確的場(chǎng)合主動(dòng)進(jìn)行熱管理往往需要增加 TEC（半導體制冷器，Thermo-Electric Cooler）。 針對激光雷達進(jìn)行冷卻，然而加裝單個(gè) TEC 的功耗往往在 2-3W 的水平，多個(gè)激光器這一 功耗水平對于平均功耗只有十幾瓦水平的激光雷達來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的負擔。此外，增加 TEC 本身也會(huì )帶來(lái)額外的成本開(kāi)支，由于目前 EEL 激光器已經(jīng)解決了溫漂問(wèn)題，VCSEL 激光器天然溫漂就比較小，因此與光模塊不同，在激光雷達里不再需要加裝 TEC。
6、快慢軸準直：?jiǎn)渭す馄髋鋫?1-2 個(gè)準直鏡，市場(chǎng)規模有望媲美手機鏡頭
發(fā)射端除了光源以外，另一類(lèi)重要部件就是光學(xué)器件，其中最重要的一類(lèi)就是用于對 激光器的光路進(jìn)行校準的器件，在激光雷達整機中的價(jià)值量通常能夠達到 10-20 美金的水 平，市場(chǎng)空間也較為廣闊。 為什么需要對激光器發(fā)出的光進(jìn)行校準？因為真實(shí)的激光并不是許多人想象當中的 筆直的光束，而是存在著(zhù)發(fā)散角的，尤其是半導體激光器，發(fā)散角非常大。由于半導體激 光器體積小，諧振腔小，對光束的篩選作用比較弱，而且發(fā)光面積小，發(fā)出的光線(xiàn)會(huì )發(fā)生 衍射，所以對于 EEL 來(lái)說(shuō)通常射出的都是橢圓錐形光束，如果對著(zhù)墻面照射則會(huì )打出一個(gè) 橢圓形光斑，其中橢圓形長(cháng)軸通常稱(chēng)為快軸，短軸通常稱(chēng)為慢軸，快軸方向發(fā)散角可能達 到 25-50 度左右，慢軸方向發(fā)散角也可能有十幾度到二十度。VCSEL 激光器的光束也會(huì ) 呈現圓錐形發(fā)散，發(fā)散角可以達到 20 度左右。如果采取這樣的光束直接照射，則能量會(huì ) 很快分散殆盡，無(wú)法進(jìn)行有效探測。
另外，半導體激光器由于諧振腔的篩選能力不夠強，還存在光束質(zhì)量問(wèn)題，也就是光 斑的強弱分布不均（存在多橫模），且在主要光斑周?chē)€有少量剩余能量（拖尾效應），所 以有時(shí)也需要進(jìn)行調整。針對拖尾問(wèn)題，經(jīng)常采用光闌將主光斑之外的少量光束舍棄。
鐳神智能的一款激光雷達發(fā)射模組中采用 8 個(gè) EEL 激光器，在每個(gè)激光器的出光口直 接安裝 1 個(gè)快軸準直鏡，體積更小，僅有亞毫米尺度，肉眼基本無(wú)法直接分辨。
而針對光學(xué)校準，1550nm 路線(xiàn)再次展現了其優(yōu)勢。由于 1550 激光雷達使用光纖激 光器，而光纖（通常使用單模光纖）本身就具有極強的光學(xué)校準能力，因此 1550nm 激光 器的光束質(zhì)量較高，輸出的幾乎是完美的圓形高斯光斑。同時(shí)其發(fā)散角也較小，根據武漢 理工大學(xué)張睛等人的研究，圓光纖的發(fā)散角只有 6 度多，通常只需要在光纖后加一個(gè)普通 的球面凸透鏡即可。
此外，對于絕大多數激光雷達，在接收光路上通常都需要用凸透鏡進(jìn)行光線(xiàn)匯聚，將 從目標處反射回來(lái)的平行光匯聚在接收器所在的較小面積上。對于部分短距離 flash 激光 雷達，準直需求將變?yōu)楣鈭?chǎng)強度均勻化以及光束視場(chǎng)角擴大的需求，因此會(huì )對光場(chǎng)勻化器、 光束擴散器等光學(xué)元件產(chǎn)生需求。 隨著(zhù)激光雷達行業(yè)發(fā)展，預計對光學(xué)器件的需求將穩定持續增長(cháng)?？燧S準直鏡將有較 大需求，此外慢軸準直鏡、快慢軸準直一體化透鏡、球面透鏡等也將有較多市場(chǎng)需求。未 來(lái)若激光雷達達到較高滲透率，按照單車(chē) 1 前向 2 側向的配置，單臺激光雷達光學(xué)元件價(jià) 值按照 10 美元計算，則全球市場(chǎng)規模有望超過(guò)百億人民幣，與手機鏡頭相近。
散熱與無(wú)熱化設計：避免產(chǎn)生光路變化，保障激光器高點(diǎn)頻
發(fā)射端除了發(fā)光、校準光之外，還需要保障持續可靠工作，最主要的就是盡量避免發(fā) 熱的影響。如果發(fā)熱得不到有效控制，則溫度上升，不僅會(huì )導致激光器溫漂，還會(huì )導致其 他元件變形，對光路產(chǎn)生影響。由于功耗原因，通常不在激光雷達中進(jìn)行主動(dòng)降溫，因此 就需要考慮散熱設計與無(wú)熱化設計。所謂無(wú)熱化，主要是指補償設計，當溫度發(fā)生改變， 光學(xué)器件發(fā)生形變，但系統中不同部件的形變效果幾乎恰好抵消，使得光學(xué)系統的效果幾 乎不受溫度影響。 在激光雷達中，通常主要的發(fā)熱部件就是芯片和激光器，針對芯片，通常采用導熱膠 或導熱硅脂等方式進(jìn)行充分散熱，以免熱量影響自身以及其他部件工作。
實(shí)現良好的散熱對于提高激光器點(diǎn)頻具有重要意義，從而能夠打破幀率、分辨率、視 野構成的不可能三角。針對大功率激光器主要是采用熱沉進(jìn)行散熱，此處熱沉（heat sink） 通常是指一些能夠持續吸收熱量或者將熱量傳導走而又保持溫度穩定的物體，在激光器當 中通常指散熱材料。 無(wú)熱化的方法不盡相同，例如可以采取徑向折射率不同的材料制作透鏡來(lái)減弱溫度的 影響，或者采用帶有記憶特性的材料來(lái)讓光學(xué)元件之間產(chǎn)生相對位移，從而抵消形變的影 響等。
接收端：905nm 走向 SiPM，1550nm 使用 APD，PDE 與可靠性是關(guān)鍵
目前激光雷達所用的接收端主要分 APD、SPAD/SiPM 兩大路線(xiàn)，這兩種路線(xiàn)其實(shí)同 根同源，都是利用二極管的雪崩擊穿效應。 眾所周知，二極管具有單向導電性，在反方向幾乎不導電，除非施加較大的反向電壓， 直接強行讓二極管擊穿。雪崩擊穿就是二極管擊穿的一種，想象一塊從山頂滾落的石塊， 如果其速度夠快，它就能夠撞碎沿途的樹(shù)木和其他石塊，并且這些碎塊將伴隨初始的石塊共同加速滾下山坡，在途中不斷造成更大的破壞，最終越來(lái)越多石塊將加入這一過(guò)程，造 成巨大破壞，這一過(guò)程與雪崩極為類(lèi)似。二極管的雪崩擊穿中，石塊換成了電子，強大的 反向電壓導致少量電子高速運動(dòng)，并將其他原子中的電子擊飛出來(lái)成為自由電子，這些自 由電子又將更多的電子擊飛成為自由電子，導致反向電流迅速擴大，二極管擊穿。 雪崩擊穿與光子探測的關(guān)系就在于，光子能夠激發(fā)電子使其成為自由電子，在合適的 條件下能夠誘發(fā)雪崩擊穿。只需探測到二極管反向電流的突然增大，就意味著(zhù)有光子存在。 最初利用光子激發(fā)電子原理的是光電二極管 PD（Photo-Diode），光子能夠增大反向電流， 但無(wú)法導致?lián)舸?，反向電流仍然很小，因此探測靈敏度不高。APD（Avalanche Photo-Diode， 雪崩光電二極管）其實(shí)就是光電二極管的升級版，直接給光電二極管加上反向電壓，這個(gè) 反向電壓十分接近擊穿電壓，如此只需有少量光子就可以誘發(fā)雪崩擊穿，導致電流劇增， 真正實(shí)現了高靈敏度的光探測。SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二 極管）則是在 APD 的基礎上更進(jìn)一步，直接施加反向電壓使其處于擊穿狀態(tài)，此時(shí)甚至 只需要 1 個(gè)光子擊中二極管中的電子就能夠誘發(fā)大規模的雪崩擊穿，所以 SPAD 能夠實(shí)現 單個(gè)光子的探測。由于 SPAD的單光子探測功能，光電子大廠(chǎng)濱松也將其稱(chēng)為 SPPC（single pixel photon counter，單光子計數器）。
而 SiPM（Silicon Photo-Multiplier，硅光電倍增管，濱松也稱(chēng)為 MPPC，多像素光 子計數器）就是一組并聯(lián)的 SPAD，用于彌補 SPAD 對光強感知能力不足的問(wèn)題。由于 SPAD 只需 1 個(gè)光子就會(huì )發(fā)生雪崩，同時(shí)有 100 個(gè)光子入射和 1 個(gè)光子入射并不會(huì )帶來(lái)什 么區別。為了解決這一問(wèn)題，直接將大量 SPAD 并聯(lián)，通過(guò)發(fā)生雪崩的 SPAD 數量即可判 斷光強。如今使用SPAD探測器的激光雷達通常都會(huì )直接使用SiPM，而不是單個(gè)的SPAD。
APD：低成本高可靠仍有價(jià)值，1550 路線(xiàn)需使用 APD
早期由于 SPAD 技術(shù)成熟度不足，激光雷達通常使用 APD 作為接收器。本次拆解的 較早型號的鐳神 CH32，其接收端芯片使用了一列 APD。
展望未來(lái)，APD 一個(gè)較為確定的應用場(chǎng)景是 1550 路線(xiàn)的激光雷達。由于硅材料的限 制，SiPM 通常只能探測波長(cháng)在 1100nm 以下的光子，對于 1550nm 的光子力有不逮。探 測 1550nm 的光子通常需要 InGaAs/InP 系列材料，此類(lèi)材料內部缺陷相對較多，如果制 程 SPAD，則其暗計數率（DCR，每秒在無(wú)光條件下由于材料內部熱載流子自行引發(fā)雪崩 的次數）較高，所以通常采用 APD。 目前在1550nm APD領(lǐng)域，我國已有企業(yè)布局，例如芯思杰為鐳神智能開(kāi)發(fā)陣列SPAD， 也正在和國內其余頭部激光雷達在合作。
SPAD/ SiPM：905nm 路線(xiàn)替代 APD 已成大勢，關(guān)注 PDE 與可靠性
近年來(lái) SiPM 技術(shù)成熟度日漸提高，其高靈敏度的特性已經(jīng)得到業(yè)界充分認知，越來(lái) 越多的激光雷達接收端開(kāi)始采用 SiPM。例如速騰 M1 的接收端就采用了濱松的 SiPM。
SPAD/SiPM路線(xiàn)面臨的一個(gè)比較明顯的問(wèn)題是自然光干擾，尤其是強烈日光的干擾。 由于日光是連續譜，幾乎涵蓋了所有激光雷達的工作波長(cháng)，所以?xún)H靠濾光片是無(wú)法完全濾 除陽(yáng)光的，強烈的陽(yáng)光入射會(huì )導致 SiPM 中多個(gè) SPAD 單元飽和，并且在恢復初始狀態(tài)前 都無(wú)法吸收光子，因而有可能漏掉真正的反射信號。
所以在強烈的日光下，使用 SPAD/SiPM 的激光雷達經(jīng)常會(huì )出現探測距離明顯下降的 問(wèn)題。雖然目前已有一些算法進(jìn)行日光干擾的處理，但往往效果并不完美，有時(shí)還會(huì )引入 額外噪聲，所以 SPAD 對自然光的處理仍然是一個(gè)難題。 目前 SPAD/SiPM 領(lǐng)域主要被索尼和濱松占據，安森美也有一定份額。國際廠(chǎng)商在光 子探測效率 PDE（Photon Detection Efficiency）、可靠性（包括暗計數率 DCR、后脈沖、 串擾等）方面占據領(lǐng)先優(yōu)勢，其中索尼在 PDE 和分辨率方面占據優(yōu)勢，推出了 100k 像素 的 IMX459，而濱松在可靠性方面積累深厚，新產(chǎn)品串擾發(fā)生率只有前代的不到十分之一， 暗計數也實(shí)現了減半。
掃描端：轉鏡的核心壁壘在時(shí)序控制算法，MEMS 振鏡有較高難度
目前市面上主流的長(cháng)距離激光雷達掃描方式為轉鏡類(lèi)和 MEMS 類(lèi)，我們預計在短期 內這一局面仍將持續。
轉鏡：簡(jiǎn)單可靠，目前最容易通過(guò)車(chē)廠(chǎng)認證的路線(xiàn)
轉鏡是目前應用最廣的路線(xiàn)，包括禾賽、華為、圖達通、鐳神智能等大多數廠(chǎng)商都有 采用轉鏡路線(xiàn)的產(chǎn)品。轉鏡路線(xiàn)的核心要素是電機以及針對特定波長(cháng)高反射率的鍍膜反射 鏡，通常轉鏡只需保證勻速旋轉即可，無(wú)需變速或其他特殊控制，整體難度不高。具體方 案上，轉鏡可以單獨工作，也可以搭配振鏡，或采用線(xiàn)光斑掃描等方式。我國市場(chǎng)上，鳴 志電器、湘油泵等廠(chǎng)商得益于電機技術(shù)基礎，在轉鏡領(lǐng)域有一定儲備。
單一轉鏡：采用不規則棱鏡方式實(shí)現多線(xiàn)束掃描
單個(gè)轉鏡是最為簡(jiǎn)單的方案，比如鐳神智能的 32 線(xiàn)轉鏡雷達，就是通過(guò) 8 個(gè) EEL 激 光器和一個(gè)四面傾角略有不同的轉鏡來(lái)實(shí)現的 32 線(xiàn)掃描。從測量數據可見(jiàn)，其使用的轉 鏡底邊各個(gè)棱長(cháng)略有不同，導致每一面并不是規整的矩形，四面鏡子存在大小不同的傾角。
轉鏡+振鏡掃描：改變振鏡轉速與激光器點(diǎn)頻制造ROI
與單獨的轉鏡方案不同，轉鏡+振鏡方案靈活度較高，能夠支持 ROI 設計（密集掃描 重點(diǎn)關(guān)注區域，其他區域保持常規掃描頻率）。圖達通的 falcon 激光雷達采用的就是轉鏡+ 振鏡方案，轉鏡負責水平掃描，振鏡負責垂直掃描。 根據圖達通發(fā)布的專(zhuān)利《用于 LiDAR 系統的二維操縱系統》，光束從光源射出后打在 振鏡上，并被反射到轉鏡上，從轉鏡上反射到外界，再從被測物體處原路返回，回到接收 光路中。多個(gè)光源呈現略微不同的角度，同時(shí)向振鏡發(fā)光，即可實(shí)現多線(xiàn)掃描。實(shí)際中采 用的是光纖一分四，四線(xiàn)同時(shí)掃描。
圖達通的此種設計的一大優(yōu)勢在于能夠靈活調節 ROI。垂直方向上，可以設定振鏡在 某一角度區間內旋轉較慢，則對應的范圍內掃描點(diǎn)將會(huì )更密集。同時(shí)在一個(gè)特定的水平視 場(chǎng)角內也可以設定 ROI，這是通過(guò)改變激光器點(diǎn)頻來(lái)實(shí)現的，由于轉鏡的轉速是恒定不變 的，因此只需周期性提升激光器點(diǎn)頻。
轉鏡+線(xiàn)光源：華為/禾賽的新路線(xiàn)
轉鏡與線(xiàn)光斑的組合是一種較新的組合。華為在其新款激光雷達上采用該路線(xiàn)，由 8 個(gè)半導體激光器充當光源，并經(jīng)過(guò)光學(xué)器件的整型成為均勻的線(xiàn)光斑。根據禾賽科技招股 說(shuō)明書(shū)，其芯片化 V1.5 方案與當前的 AT128 較為相似，而芯片化 V2.0 產(chǎn)品采用的是轉 鏡+線(xiàn)光源方案，意味著(zhù)禾賽科技也有意向開(kāi)發(fā)線(xiàn)光斑產(chǎn)品。
線(xiàn)光斑路線(xiàn)的優(yōu)勢在于發(fā)射的是連續的線(xiàn)光斑，因此垂直方向的分辨率非常高，而且 如果需要進(jìn)一步增加垂直分辨率，只需增加接收端的分辨率，無(wú)需增加激光器（發(fā)射端分 辨率約等于無(wú)限），升級成本更低。 線(xiàn)光斑路線(xiàn)的挑戰在于，一方面需要全新的光學(xué)設計和算法設計，另一方面線(xiàn)光斑要 求較大的出入光窗口，因此受到外界自然光的干擾也相對強烈一些。由于光路的可逆性， 點(diǎn)光源路線(xiàn)的激光雷達，只有與當前發(fā)射光線(xiàn)角度近乎完全相同的外界光線(xiàn)才能進(jìn)入接收 端，而對線(xiàn)光源激光雷達而言，當前掃描到的一條豎線(xiàn)上的外界光線(xiàn)都可以進(jìn)入接收端， 顯然干擾光的數量遠多于點(diǎn)光源路線(xiàn)。而且由于線(xiàn)光斑的能力更為均勻，也就更為分散， 因此接收端往往也需要使用更為靈敏的 SPAD/SiPM，受到陽(yáng)光的干擾也就更為嚴重，會(huì ) 出現強光下探測距離下降的情況。
MEMS 振鏡：尺寸較小，平衡性能與體積
MEMS 振鏡是另一種主流路線(xiàn)，具備體積較小的優(yōu)勢。按照驅動(dòng)方式，MEMS 可以 分為靜電式、電磁式、電熱式、壓電式，但目前市面上主要只有靜電式和電磁式兩類(lèi)，后 兩類(lèi)屬于實(shí)驗室產(chǎn)品。在這兩類(lèi)之中，電磁式無(wú)需高電壓驅動(dòng)，無(wú)需升壓電路，而且驅動(dòng) 力明顯大于靜電式（可以驅動(dòng)更大的鏡片，使激光束可以始終完全擊中大幅擺動(dòng)的鏡片）， 掃描范圍也明顯更大，所以目前電磁式 MEMS 是激光雷達的主流。
由于 MEMS 振鏡振動(dòng)的角度范圍比較有限，通常只有 10 余度，帶動(dòng)光線(xiàn)掃過(guò)的角度 也只有二十幾度，所以需要 5 個(gè)激光器各自負責 20 多度的一個(gè)扇區，拼合起來(lái)實(shí)現與轉 鏡路線(xiàn)相同的水平視場(chǎng)角。
MEMS 領(lǐng)域，國內希景科技、英唐智控、知微傳感等公司都有產(chǎn)品發(fā)布。國際上諸如 濱松、Mirrorcle，以及被英飛凌收購的 innoluce 等都有產(chǎn)品發(fā)布，但濱松的產(chǎn)品直徑較小， 頻率較高，并非直接面向激光雷達場(chǎng)景，innoluce 產(chǎn)品也是小直徑高頻率的類(lèi)型，Mirrorcle 則主要擅長(cháng)靜電驅動(dòng)型 MEMS。國內廠(chǎng)商中，希景科技是速騰的全資子公司，也是其產(chǎn)品 提供方，根據我們的現場(chǎng)測量，其產(chǎn)品長(cháng)軸直徑達到 7 毫米，官網(wǎng)顯示其快軸頻率為 1.2-1.3kHz，抗 50 個(gè) g 以上的沖擊，較為適合激光雷達的需求。
雙楔形棱鏡：低成本設計，最有利于低價(jià)的方案
雙楔形棱鏡是大疆主要采用的掃描方案，其由兩塊同軸放置的楔形棱鏡組成，隨著(zhù)兩 個(gè)棱鏡以不同速度旋轉，將在前方掃出類(lèi)似菊花的圖樣，其原理類(lèi)似萬(wàn)花筒。這一方案最 大的優(yōu)勢在于成本低、節約激光器和接收器，Livox Mid-40 官網(wǎng)售價(jià)僅 599 美金，而其最 大的劣勢在于幀率不足，外圈掃描點(diǎn)數不足。大疆新推出的高端車(chē)載產(chǎn)品 Livox HAP（官 網(wǎng)售價(jià) 1389/1599 美金）仍采用這一原理，不同點(diǎn)在于水平方向的掃描寬度明顯增加了。
信號處理：LD 驅動(dòng)與 TIA 屬必需品，FPGA 主要進(jìn)行時(shí)序控制和算法
與信號相關(guān)的部件主要包括激光驅動(dòng)芯片、跨阻放大器（用來(lái)將光電傳感器的電流放 大成較大的電壓）、ADC/TDC、FPGA 等。在這些領(lǐng)域，國內相關(guān)標的較少，但其仍然具 備相當的價(jià)值量，也為我國半導體產(chǎn)業(yè)升級提供了市場(chǎng)空間。
LD Driver：越快越好，最大化利用瞬時(shí)功率的選擇
LD Driver 即激光器驅動(dòng)芯片，它負責在接收到主控芯片的發(fā)光指令后，給激光 器產(chǎn)生一個(gè)具體的控制信號。對于這個(gè)控制信號的主要要求就是足夠快，有足夠陡峭的上 升沿。通常在低速信號電路中，信號從 0 變成 1 可以看成是瞬間完成的，但在高速電路中， 從 0 跳到 1 的時(shí)間消耗就無(wú)法忽略了，所謂上升沿指的就是這個(gè)從 0 到 1 的過(guò)程，反之下 降沿就是從 1 到 0 的過(guò)程。 為什么對上升沿有較高要求？如前文所屬，激光雷達功率上限受到人眼約束，然而與 探測相關(guān)的主要是瞬時(shí)功率，因此如果能夠將瞬時(shí)功率做高，同時(shí)讓發(fā)光時(shí)間變短，那么 就能夠提高探測距離。同時(shí)，縮短發(fā)光脈沖時(shí)間對于提高激光器點(diǎn)頻也有所幫助。因此， 盡可能縮短上升沿和下降沿時(shí)間就成為了有必要的選擇。 同時(shí)激光器要達到高功率短脈沖，不僅需要快速的 LD 驅動(dòng)，還需要一個(gè)能夠快速響 應 LD 驅動(dòng)的大功率電流源，通常是一個(gè) GaNFET。
TIA：高速運放，SiPM 仍需使用
在接收端，APD 或 SiPM 接收到光子后產(chǎn)生電流，理論上通過(guò)這個(gè)電流即可獲知光強， 然而實(shí)際上盡管反射光信號已經(jīng)經(jīng)過(guò)了 SiPM 或 APD 的放大，卻仍然較小，通常需要再次 放大。而且光電傳感器輸出的是電流信號，不利于與數字電路相融合，如果將其轉化為電 壓信號，則一方面方便數字電路處理，另一方面也能夠減小功耗。完成放大和電流轉電壓 （跨阻抗或跨阻的由來(lái)）任務(wù)的就是跨阻放大器 TIA（trans impedance amplifier）， 屬于高速運放的一種。
TDC、ADC：TDC 適合低成本場(chǎng)景，ADC 支持更精密測量
由于反射光以及光電探測器通常輸出的都是模擬信號，往往需要將其轉化成數字信號 才便于核心處理器進(jìn)行處理及運行后續的算法。 TDC（時(shí)間數字轉換器）主要發(fā)揮計時(shí)器功能，通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡(jiǎn)單 的系統，此時(shí)只 TDC 需要連接到主控芯片（通常 MCU 即可）和光接收器 之間，當主控芯片發(fā)出發(fā)光信號時(shí)，也同步給 TDC 一個(gè)開(kāi)始計時(shí)的信號，隨后反射回來(lái) 的光經(jīng)過(guò) TIA 轉換成放大的電壓，再經(jīng)過(guò)比較器與參考電壓比較，判斷是否有光入射，TDC 則將比較器的輸出當做結束信號，完成計時(shí)，并將時(shí)間信息送回主控芯片。 ADC 通常用于更復雜的系統，ADC 對反射光信號進(jìn)行持續采樣，轉 換成數字信號，并由控制芯片進(jìn)行波形處理、計時(shí)等工作。
FPGA：適應算法快速迭代，專(zhuān)用電路設計比 CPU 高效率
FPGA 通常在激光雷達中充當主控芯片。為什么不采用 CPU 作為主控？因為激光雷 達需要進(jìn)行大量的信號處理、電機時(shí)序控制等，CPU 雖然也能做，但如果采用專(zhuān)用的算法 以及為算法專(zhuān)門(mén)優(yōu)化設計的電路，其效率會(huì )高得多。而作為汽車(chē)領(lǐng)域的新生事物，從 2007 年 Velodyne 激光雷達首次被用于 DARPA 挑戰賽至今，其上車(chē)的歷史也不過(guò)十五年，還 有許多硬件/算法設計尚處在探索階段，因此采用 FPGA 有利于反復迭代修改，同時(shí)還滿(mǎn) 足了專(zhuān)用電路的高效性。 舉例來(lái)說(shuō)，僅僅反射波的波形處理就需要消耗大量算力，而且每一束反射光都需要進(jìn) 行處理，使用 CPU 既難以滿(mǎn)足算力需求，又浪費 CPU 的通用能力，因此往往需要專(zhuān)門(mén)的 電路進(jìn)行處理。波形需要什么處理？實(shí)際中的情形比理論中復雜許多，雖然發(fā)射端發(fā)射的 是一個(gè)短促的脈沖，但由于光束的擴散，飛行過(guò)程中會(huì )遇到多個(gè)障礙物，產(chǎn)生多個(gè)反射波。 如果是樹(shù)木等物體，其反射波將更復雜。在 此情況下，我們如何判斷反射光的返回時(shí)間，如何判斷反射率，都需要算法處理。
（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息，請參閱報告原文。）
