（報告出品方/作者：安信證券，馬良）

1.從發(fā)展歷程看激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（LightDetectionAndRanging，簡稱"LiDAR"）即光探測與測量，是一種集激光、全 球定位系統(tǒng)（GPS）和 IMU（InertialMeasurementUnit，慣性測量裝置）三種技術(shù)于一身的 系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的 DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn) 確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達(dá)厘米級，激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢就是"精準(zhǔn)" 和"快速、高效作業(yè)"。

從 1960 年人類首次制造出激光，到 1992 年三菱首次應(yīng)用激光雷達(dá)于汽車測距，再到 2007 年 Velodyne 生產(chǎn)出首臺商用 3D 動態(tài)掃描激光雷達(dá)，如今，激光雷達(dá)的發(fā)展呈現(xiàn)出加速化、多 技術(shù)路徑并舉的特點(diǎn)，是汽車感知架構(gòu)的關(guān)鍵部件。

1.1.回首發(fā)展脈絡(luò)，激光雷達(dá)緣何興起

1.1.1.生根發(fā)芽，吸引國內(nèi)外勢力逐鹿藍(lán)海

激光雷達(dá)的最早車規(guī)級應(yīng)用源于 1992 年，三菱公司在其旗艦產(chǎn)品第三代 Debonair 上搭載了 可以用于探測跟車距離的激光雷達(dá)。可以顯示跟車距離，并在距離過近時發(fā)出預(yù)警。但是， 當(dāng)時惡劣天氣可靠性更高、技術(shù)更為成熟的毫米波雷達(dá)更適應(yīng)這一功能，很快便取而代之發(fā) 展成如今的 ACC 自適應(yīng)巡航功能。 21 世紀(jì)后，美國陷入阿富汗和伊拉克兩場戰(zhàn)爭，無人駕駛車輛被視為減少美軍傷亡的方法之 一。2004 年到 2007 年間，由 DARPA（美國國防部高級研究計劃局）發(fā)起了三屆無人駕駛挑戰(zhàn) 賽（DARPA Grand Challenge）。

首屆比賽中 7 支隊伍均未完賽，但 Velodyne 公司的大衛(wèi)·霍 爾卻從此意識到了激光雷達(dá)的巨大潛力，以及當(dāng)時單線式固定視距激光雷達(dá)的局限性。比賽 結(jié)束后，霍爾發(fā)明了一臺機(jī)械轉(zhuǎn)動式 64 線激光雷達(dá)，形狀如同“車頂飛碟”，一改之前激光 雷達(dá)僅掃描單一固定視線的思路。第二屆比賽中，開始有隊伍在車輛頂端裝載激光雷達(dá)，但 由于車體機(jī)械故障未能完成比賽。至第三屆比賽時，霍爾的激光雷達(dá)開始大放光彩，幾乎被 所有完賽的隊伍所采用。這就是日后 Velodyne 的主打產(chǎn)品之一，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá) HDL64E 的原型。

第三屆 DAPRA 結(jié)束后的幾年里，霍爾不斷改進(jìn)產(chǎn)品，在 2009 年開始正式售賣日后聞名天 下的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)鼻祖 HDL-64E，與原型機(jī)相比體積顯著減小。同年，谷歌創(chuàng)始人拉里·佩奇邀請了代表斯坦福拿下冠軍的塞巴斯蒂安·特龍教授（Sebastian Thrun），最終形 成谷歌旗下的自動駕駛公司 Waymo 。2012 年，17 歲的天才少年羅素從斯坦福大學(xué)退學(xué)，創(chuàng) 立了激光雷達(dá)的另一個巨頭Luminar，同年，主打固態(tài)激光雷達(dá)的Quanergy在美國加州成立。 此后陸續(xù)誕生了 Aeye，Innoviz，Innovusion 等上百家激光雷達(dá)公司。Waymo 在 2016 年發(fā)布 了自研的激光雷達(dá)，博世在 2017 年收購了美國 Tetravue 入局激光雷達(dá)，蔡司也在 2018 年 投資了激光雷達(dá)企業(yè) Bridger Photonics。

中國公司中，百度于 2013 年開始布局自動駕駛，此后陸續(xù)出現(xiàn) Drive.ai、小馬智行、禾多 科技、文遠(yuǎn)知行等一批公司，構(gòu)成了中國自動駕駛半壁江山。這些公司是激光雷達(dá)起步階段 最主要的客戶群。2014 年，禾賽科技、砝石科技、速騰聚創(chuàng)在國內(nèi)成立。2016 年，在測繪激 光雷達(dá)領(lǐng)域默默耕耘了 11 年的北科天繪發(fā)布了國內(nèi)首款激光雷達(dá)產(chǎn)品。萬集科技、鐳神智 能、北醒光子等數(shù)十家激光雷達(dá)企業(yè)，如今已經(jīng)成為全球車載激光類額達(dá)領(lǐng)域中，不容忽視 的一股力量。

1.1.2.開花結(jié)果，固態(tài)化路線掀起技術(shù)迭代浪潮

為滿足安全性、穩(wěn)定性和壽命的保障，激光雷達(dá)使用的軟硬件都需要過車規(guī)認(rèn)證。而機(jī)械旋 轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)并不適用，其一是動輒上萬美元的高昂單價使諸多車企難以承受；其二也是更 難解決的問題，其內(nèi)部使用了大量機(jī)械運(yùn)動部件，在體積和壽命上有缺陷，幾乎不可能通過 車規(guī)認(rèn)證。固態(tài)和混合固態(tài)（半固態(tài)）激光雷達(dá)成為了被看好的方向，其思路是改造激光雷 達(dá)中的激光器，通過尋找其他工程實現(xiàn)方式減少激光器中的旋轉(zhuǎn)部件，從而提升產(chǎn)品的穩(wěn)定 性、壽命并減小量產(chǎn)成本。

其中，固態(tài)雷達(dá)被認(rèn)為是更優(yōu)方案。但目前難以實現(xiàn)。2014 年成立于硅谷的 Quanergy 曾 令固態(tài) OPA （光學(xué)相控陣，固態(tài)激光雷達(dá)主流技術(shù)之一）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。但其并沒有可 靠的車軌級產(chǎn)品問世，核心參數(shù)探測距離在 2016 年時是 300m，2017 年卻變成了模糊不清 的“很遠(yuǎn)”；市場對 OPA 的熱情逐漸冷卻，Quanergy 的市場占比也不及從前。另一固態(tài)雷 達(dá)解決方案 FLASH 目前發(fā)展也尚未成熟，探測距離和分辨率難以兼顧，需要多年研究才能走 向市場規(guī)?；?/p>

在現(xiàn)有技術(shù)和工藝水平下，混合固態(tài)更能滿足量產(chǎn)車型對雷達(dá)穩(wěn)定性和壽命的要求。2018 年， 德國大眾旗下的奧迪 A8 成為首個搭載激光雷達(dá)的量產(chǎn)車型，它使用了由法國 Tier1（汽車 行業(yè)一級供應(yīng)商）法雷奧推出的全球第一個完成車規(guī)量產(chǎn)認(rèn)證的激光雷達(dá) Scala，其使用的就是 4 線混合固態(tài)激光雷達(dá)路徑。但由于其線束太少，成像的可靠性和準(zhǔn)度都大打折扣。被 判斷并不是激光雷達(dá)嘗鮮者的中國車企，后來居上成為了全球最積極搭載激光雷達(dá)的客群。 自 2020 年起，全球范圍有 21 款車型宣布將搭載激光雷達(dá)，中國公司推出了其中的 14 款， 這些車企選擇的都是混合固態(tài)激光雷達(dá)。

目前，應(yīng)用最廣泛的混合固態(tài)方案是 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)），首個 MEMS 混合固態(tài)激光雷達(dá)是 以色列公司 Innoviz 在 2017 年發(fā)布的 Innoviz One；速騰緊跟其后，在同年推出了與 Innoviz One 相似的 M1。另一個被看好的混合固態(tài)路線是單軸轉(zhuǎn)鏡，即 Scala 使用的方案。 華為在 2020 年 12 月正式發(fā)布單軸轉(zhuǎn)鏡的 96 線激光雷達(dá)，并同步宣布了合作車型為北汽極狐 阿爾法 S。其準(zhǔn)度和可靠性都大大超過奧迪搭載的 4 線激光雷達(dá)。禾賽在 2021 年第四季度推 出了參數(shù)高于華為的 128 線激光雷達(dá) AT128，目前已拿下理想、集度、吉利旗下路特斯、高合 等品牌的定點(diǎn)（指成為某品牌的指定供應(yīng)商）。

由大疆孵化的覽沃（Livox）另辟蹊徑，它沒有選擇被外國廠商探索、驗證的路線，而是自己 原創(chuàng)了棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描方案。在 2020 年 CES 上，覽沃發(fā)布了“Horizon 地平線”和 Tele-15 兩 款產(chǎn)品，地平線單價低至 800 美元。同年底，覽沃宣布獲得小鵬 P5 訂單，成為最早拿下量產(chǎn) 訂單的中國激光雷達(dá)公司。該車型已于 2021 年交付。

1.2.細(xì)究技術(shù)趨勢，為什么智能駕駛離不開激光雷達(dá)？

1.2.1.主流傳感方式原理不盡相同，在車載領(lǐng)域各有優(yōu)劣

汽車感知系統(tǒng)以攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、GNSS（全球定位系統(tǒng)）等為 主。傳感器作為實現(xiàn)汽車智能化的感知端設(shè)備，隨著自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，其重要性愈 發(fā)凸顯。汽車環(huán)境監(jiān)測類傳感器主要包括：超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭 等。監(jiān)測類傳感器分布于車身內(nèi)外，通過獲取外界環(huán)境信息，將模擬信號轉(zhuǎn)化為電信號后， 傳遞至汽車的中央處單元中，從而幫助智能駕駛決策行為。此外，基于 GNSS、高精度地圖和 車路協(xié)同技術(shù)快速發(fā)展，進(jìn)一步提升了智能駕駛的安全性、可靠性。

攝像頭感知功能強(qiáng)大，是 ADS（自動駕駛）與 ADAS（高階智能輔助駕駛）的必備終端。其可 以對路面所有事物進(jìn)行成像，也是唯一一個可以分辨出具體顏色和圖形的感知硬件。特斯拉 使用的就是單純基于攝像頭的純視覺路線。但攝像頭嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)訓(xùn)練，具有很高的行業(yè)壁 壘。在一些特殊場景中也容易造成判斷失誤，例如特斯拉汽車將白色的貨車識別成了白云或 天空而造成相撞。攝像頭的探測距離受到像素的限制，而高像素攝像頭需要大算力芯片支持， 無形中增加了成本。此外，攝像頭受惡劣天氣影響很大，無法保證全天候條件下的穩(wěn)定工作。

激光雷達(dá)綜合性能優(yōu)勢明顯：成像質(zhì)量好，信息獲取全。通過發(fā)射信號和反射信號的對比， 構(gòu)建出點(diǎn)云圖，從而實現(xiàn)諸如目標(biāo)距離、方位、速度、姿態(tài)、形狀等信息的探測和識別。除 了傳統(tǒng)的障礙物檢測以外，激光雷達(dá)還可以應(yīng)用于車道線檢測。優(yōu)點(diǎn)在于測距遠(yuǎn)、精度高， 獲取信息豐富，抗源干擾能力強(qiáng)。主要缺點(diǎn)是在一些極端天氣條件下可能會有一定影響，目 前價格相對較昂貴。

毫米波雷達(dá)性能穩(wěn)定、穿透性強(qiáng)，性價比高受青睞。其波長在 1~10mm 之間，可以輕易地穿透 塑料等材質(zhì)，因為穿透力較強(qiáng)，所以受到雨雪等天氣的影響較小。毫米波雷達(dá)可以同時探測 目標(biāo)物體的距離和速度，其價格和體積也相對適中，易于在車輛進(jìn)行安裝。缺點(diǎn)在于毫米波 雷達(dá)分辨率有限，很難探測障礙物的具體形狀。當(dāng)需要探測行人這種反射界面較小的物體的 時候，毫米波雷達(dá)容易出現(xiàn)誤報。對于垂直方向甚至不做區(qū)分。 超聲波雷達(dá)價格便宜，體積較小，技術(shù)發(fā)展較為成熟。但其依賴于聲波，傳播速度遠(yuǎn)低于光 速，不適用于高速運(yùn)動的汽車。其本身探測距離較短，而且只能探測到一定范圍內(nèi)有無障礙 物及障礙物的距離，無法判斷障礙物的形狀及具體的位置，目前超聲波雷達(dá)主要用于停車等 低速場景。

C-V2X，即車路協(xié)同是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，允許車輛通過通信信道彼此共享信息。其 需要路面以及其他車輛也配有相同設(shè)備，十分依賴基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。目前 C-V2X 基礎(chǔ)設(shè)備仍在 建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋度低，尚不能廣泛應(yīng)用于自動駕駛場景中。 高精度地圖可以為自動駕駛提供自變量和目標(biāo)函數(shù)的功能。其精度可以精確到每個車道的具 體導(dǎo)向，甚至彎道的曲率，坡度的斜率等毫米級信息。但地圖測繪涉及國家安全，國內(nèi)管理 嚴(yán)格。中國高精度地圖測繪需要甲級資質(zhì)，僅有百度、高德、華為、四維圖新等十余家公司 具備，目前覆蓋的道路也非常有限。

1.2.2.純視覺路線關(guān)山難越，多傳感器融合是大勢所趨

量產(chǎn)車自動駕駛領(lǐng)域，純視覺路線龍頭特斯拉構(gòu)建行業(yè)壁壘。特斯拉基于攝像頭+毫米波雷 達(dá)的“純視覺路線”，具有全球領(lǐng)先的研發(fā)能力和最豐富的用戶數(shù)據(jù)積累。自動駕駛的算法 核心是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)，需要通過海量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，尤其是對于攝像頭獲取圖像的 識別和處理，因此測試?yán)锍淌占臄?shù)據(jù)量成為決定公司實力最重要的因素之一。根據(jù)特斯拉 2022 年各季度生產(chǎn)和交付報告顯示， 2022 年累計交付車輛高達(dá) 131 萬輛，新能源汽車銷 量穩(wěn)居世界第一，其中上海超級工廠交付 71 萬輛，占全球交付量一半以上，積累了遠(yuǎn)超競爭 對手的數(shù)據(jù)量。依靠純視覺路線，競爭者難以挑戰(zhàn)其地位。

多傳感器融合路線彎道超車，是自動駕駛發(fā)展的創(chuàng)新之路。不同類型的傳感器各有優(yōu)劣，因 而單一的傳感器難以滿足復(fù)雜的自動駕駛各類應(yīng)用場景。多傳感器信息融合(MSF)利用計算 機(jī)技術(shù)，對多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多空間的組合處理不同傳感器優(yōu)勢互 補(bǔ)，在不同使用場景中發(fā)揮各自功能，從而有效地提高系統(tǒng)的冗余度和容錯性，最終幫助做 出有效判斷和決策。

1.3.挖掘市場剛需，車規(guī)級對激光雷達(dá)有哪些要求？

車規(guī)級激光雷達(dá)產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)趨于完備，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)加速修訂中。車載激光雷達(dá)是一種主動傳 感器，對于車規(guī)級自動駕駛產(chǎn)品，首先考慮就是所發(fā)射的激光是否安全，避免對周圍的人員 產(chǎn)生危害。目前國際標(biāo)準(zhǔn)包括 IEC 60825-1 國際激光產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，IATF 16949 質(zhì)量管理體 系，ANSI Z136.1 美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會安全指南文件等。其中 IEC 60825-1 是全球接受度最高 的文件。針對國內(nèi)，激光雷達(dá)尚沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廠商之間的所采用的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。 例如速騰聚創(chuàng)的整機(jī)測試要滿足 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 105℃工作溫度，并符合 PPAP（生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序），以及客戶的 DV/PV 試驗（電 子電器試驗）等要求。

2.從工作原理看激光雷達(dá)

2.1.測距原理：dTOF是主流，F(xiàn)MCW尚在預(yù)研

激光雷達(dá)按測距原理分類可以分為飛行時間法（TOF）和連續(xù)調(diào)頻波法（FMCW）。飛行時 間法 TOF 中主流采用的是直接飛行時間法 dTOF，其工作原理是，測量發(fā)射激光后其與反射 波波脈沖信號之間的時間間隔，即測量激光脈沖來回的往返時間 T，即可得到目標(biāo)距離 S=CT/2，其中 C 為光在空氣中的傳播速度。由于激光脈沖持續(xù)時間極短、瞬時功率較高、耗 時較短，因此能夠探測到更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)的同時也能保持較高測量頻率。同時其計時精度不 會因距離改變而發(fā)生改變，是目前激光雷達(dá)廠商采用的主流方案。此外還有一種 iTOF 間接式 測量法，使用發(fā)射正弦波/方波與接收正弦波/方波之間相位差來反推時間。

連續(xù)調(diào)頻波法 FMCW 的測距原理為發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光，通過回波信號的延時獲得差拍信號 頻率對應(yīng)出飛行時間，通過距離公式反推目標(biāo)物距離并通過多普勒頻率公式測算目標(biāo)物速度。 其不會受到太陽光等干擾，抗干擾能力更強(qiáng)、激光峰值發(fā)射功率能夠穩(wěn)定在較低水平（100mW），可以獲得每個像素的徑向速度。通過 FMCW 技術(shù)，激光雷達(dá)的視距可以擴(kuò)展 至 1,000 米或者 2,000 米，大大提高激光雷達(dá)的測距范圍。但 FMCW 的激光雷達(dá)對激光器 的要求非常高，同時其的信號解算又相當(dāng)復(fù)雜，在技術(shù)上目前仍具有挑戰(zhàn)。另外其作為測距 方式， 與成熟的機(jī)械式掃描方式并不完全匹配，整體難以通過車規(guī)級認(rèn)證。無形之中增加了 設(shè)計和制造的難度，造成成本較高。預(yù)計在 2024 年左右可以實現(xiàn)量產(chǎn)。

2.2.基本模塊：四大單元相輔相成，固態(tài)化、集成化是未來趨勢

2.2.1.發(fā)射單元：905nm成熟工藝，1550nm未來可期

LiDAR 的激光器可以分為以光纖激光器為代表的 1550nm（遠(yuǎn)波紅外，SWIR）激光器和以半導(dǎo) 體激光器為代表的 905nm（近紅外，NIR）激光器。其中，近紅外激光器依據(jù)發(fā)光原理的不同， 又可分為邊發(fā)射激光器（EEL），垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和固體激光器。

905nm 器件較為成熟，1550nm 是未來發(fā)展方向。傳統(tǒng)的 905nm 可以使用廉價的硅基 CMOS 作 為接收端，其光噪聲和控制信號比較平穩(wěn)，但是 905nm 測距受限在 150 米以內(nèi)。由于出于安 全角度要選用一級的能量（只能實現(xiàn) 150m)，近紅外波段僅適用于乘用車。商用車至少需要 300 米探測距離，就需要用到 1550nm 的光源。遠(yuǎn)波紅外激光在空氣中的衰減性更弱，進(jìn)入人 的視網(wǎng)膜之后無法聚焦不會傷害眼睛晶體，可以在保證安全基礎(chǔ)上人為增加能量，增大探測 距離。但是，遠(yuǎn)波紅外光源必須使用較為昂貴的銦鎵砷（InGaAs）作為接收端，其具有生產(chǎn) 工藝難，激光器價格高的缺陷。此外探測距離遠(yuǎn)意味著功率大，這也對芯片散熱能力以及封 裝提出了更高要求。

對 905nm 工藝而言，VCSEL 替代 EEL 是方向，固體激光器尚不成熟。目前，成熟的近紅外工 藝(905nm 等)主要的激光發(fā)射器為邊發(fā)射激光器(EEL)和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。其中 邊發(fā)射激光器，最常用的是 InGaAs/GaAs 脈沖激光二極管。其芯片結(jié)構(gòu)由單通道發(fā)展到 4 通 道，甚至 6 通道或 8 通道。具有高的峰值功率和高光電轉(zhuǎn)換效率，由單通道結(jié)構(gòu)約 75 W 提 高到多通道結(jié)構(gòu) 400W 甚至近千瓦。但其缺點(diǎn)是由于其發(fā)射口長寬尺寸不同，發(fā)出的光斑為 橢圓形，需要額外的光束整形光學(xué)元件。其光譜發(fā)散也更寬。 VCSEL 相對 EEL，其諧振腔相對較短以便于陣列化、集成化、芯片化，光斑更接近圓形，免去 EEL 的橢圓光斑整形溫度敏感性低，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。在未來定制化后可以進(jìn) 一步壓縮量產(chǎn)成本。但是其峰值功率低于 EEL，需要配合更加靈敏的接收器件。

固體激光器是閃光式車載激光雷達(dá)（Flash）技術(shù)路線的激光光源方案。用于 Flash LiDAR 的 固體激光光源固體激光器需要很昂貴的激活介質(zhì)(各種復(fù)雜的晶體)，在設(shè)計和工藝上具有很 大的挑戰(zhàn)，首先需要形成大角度視場(如 125°x 25°)均勻照射視場，這需要將固體激光 MW 級點(diǎn)光源通過特殊的光場勻化技術(shù)進(jìn)行勻化，在三維空間形成均勻照射大視場。其次，需要 讓固體激光器滿足車規(guī)級高低溫、震動、壽命等可靠性要求。

光纖激光器與半導(dǎo)體激光器不同的地方主要在諧振腔。半導(dǎo)體激光器使用不同介質(zhì)的分界面 作為反射面，從而形成諧振腔。而光纖激光器直接使用光纖作為諧振腔。大氣穿透能力強(qiáng)， 人眼安全性高，峰值功率可達(dá)上百甚至上千瓦，單色性好是激光光源的顯著特點(diǎn)，但是激光 雷達(dá)在光源及探測器成本、體積、溫度穩(wěn)定性以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。其更新 頻率約在 10 赫茲，但是汽車高速行駛狀態(tài)至少要達(dá)到 25 赫茲，影響成像的實時性。

2.2.2.接收單元：EEL配合APD，VCSEL配合SPAD/SiPM使用

激光雷達(dá)按照接收端可以分為雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管 （SPAD）和光電 倍增管。其中，單光子雪崩二極管 SPAD 和雪崩光電二極管 APD 屬于同族的光電探測器，主要 是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電增益，從而產(chǎn)生較大（大約 100 倍） 的輸出電流。一般來說，在不超過反向擊穿電壓時，反向電壓越高，增益就越大。光電倍增 管 SiPM 是多個 SPAD 的集成器件。

SPAD 相對雪崩二極管（PAD），靈敏度和工作效率更高。APD 和 SPAD 工作機(jī)制的差異，主要 在于不同電場下的載流子行為不同。APD 工作在擊穿電壓附近（<擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的 增益。SPAD 工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為∞），可以實現(xiàn)單光子觸 發(fā)。因此，SPAD 具有比 APD 更高的靈敏度。激光強(qiáng)度更高的 EEL 可以配合 APD 使用，而 VCSEL 可以搭配更靈敏的 SPAD?；?SPAD 可以檢測到單個光子，因此可以做成光子計數(shù)器，集成 了 TDC 的 SPAD 不需要再進(jìn)行點(diǎn)云處理，直接可以輸出深度圖像。

APD 相較 SPAD 受噪聲影響較小，性能更加穩(wěn)定。1）如果背景光噪聲較強(qiáng)，SPAD 會由于頻繁 的誤觸發(fā)而處于一種“疲勞”的狀態(tài)，點(diǎn)云噪點(diǎn)會明顯增多；2）高溫會進(jìn)一步影響 SPAD 的 噪聲水平，在原有的暗計數(shù)、后脈沖效應(yīng)、串?dāng)_等不利因素的基礎(chǔ)上，加劇性能的惡化。因 此，在夜晚等沒有太強(qiáng)背景光的場景下，高性能 SPAD 的表現(xiàn)優(yōu)于 APD，但在太陽光強(qiáng)烈、極 端溫度的環(huán)境下，現(xiàn)有 SPAD 的綜合表現(xiàn)卻是顯著低于 APD 的。 集成后的 SiPM 可以有效應(yīng)對強(qiáng)光，但工藝尚不成熟。光電倍增管 SiPM 是多個 SPAD 的集成 為一個像素，能夠產(chǎn)生強(qiáng)度效果，可以獲得更高的動態(tài)范圍以應(yīng)對強(qiáng)光場景。但像素單元較 大，較難做集成化，會導(dǎo)致芯片面積增大、工藝難度增加等問題。

2.2.3.掃描單元：機(jī)械式+半固態(tài)較為成熟，純固態(tài)式前路可期

掃描單元按照技術(shù)架構(gòu)可以分為整體旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)、收發(fā)模塊靜止的半固態(tài)激光雷 達(dá)以及固態(tài)式激光雷達(dá)。其中，半固態(tài)激光雷達(dá)具有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡三種 方案。固態(tài)激光雷達(dá)包括光學(xué)相控陣（OPA）和閃光激光雷達(dá)（FLASH）。

2.2.3.1.機(jī)械式：FOV360°全覆蓋，技術(shù)相對成熟

機(jī)械式激光雷達(dá)上車最早，至今市場份額占據(jù)最多。機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收 系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從 “線”變成“面”，并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)接收 信息的目的。在工作時豎直排列的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射，實現(xiàn)垂直角度的覆蓋， 同時在高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)殼體帶動下，實現(xiàn)水平角度 360 度的全覆蓋。目前，國內(nèi)外主流廠商 包括 Velodyne、鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等。

結(jié)構(gòu)升級遭遇瓶頸，目前尚無車規(guī)級產(chǎn)品上市。機(jī)械是激光雷達(dá)的優(yōu)勢是可以實現(xiàn) 360°的 廣角探測范圍，而且探測精度也比較高，目前最高可以達(dá)到 128 線。但是其缺點(diǎn)也相對突出， 機(jī)械激光雷達(dá)使用機(jī)械部件旋轉(zhuǎn)來改變發(fā)射角度，這樣導(dǎo)致體積過大，為激光器準(zhǔn)直的難度 隨線數(shù)直線上升，且長時間使用電機(jī)損耗較大。此外為了實現(xiàn) 360°的視野探測范圍，不得 不將碩大的激光雷達(dá)放置在車頂，影響美觀。受限于高頻轉(zhuǎn)動和復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械式平均 工作時長僅有 1000-3000 小時，與車規(guī)級設(shè)備最低 13000 小時的要求相去甚遠(yuǎn)。此外，由 于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本壓縮空間也逐步縮小。目前 16 線激光雷達(dá)的售價約為 2.6 萬 （Velodyne）/3 萬（速騰聚創(chuàng)）人民幣，32 線激光雷達(dá)售價約為 3 萬（速騰聚創(chuàng)）/13 萬（鐳 神智能）人民幣。

2.2.3.2.MEMS：單振鏡實現(xiàn)小型化，未來主流方向之一

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）全稱 Micro Electromechanical System，是指尺寸在幾毫米乃至更小的 高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)?；?MEMS 的微 振鏡利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，不需要機(jī)械式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而是以電的方式來控制光束。其核心是 一個微米尺度的振鏡，通過一個纖細(xì)的懸臂梁在橫縱兩軸高速周期震動，從而改變激光反射 方向并實現(xiàn)掃描。

MEMS 已經(jīng)成為未來發(fā)展的重要方向，也是最有優(yōu)勢的細(xì)分領(lǐng)域之一。MEMS 激光雷達(dá)由于僅 有單個光源而大大減小了器件體積和功耗。其光路結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動部件減少，可靠性相較機(jī) 械式激光雷達(dá)提升很多。同時減少了激光器和探測器數(shù)量，成本大幅降低。其壽命在 10000 至 12000 小時以上，可以通過車規(guī)級認(rèn)證。其缺點(diǎn)在于振鏡會造成產(chǎn)品的不穩(wěn)定性：支撐振 鏡的懸臂梁角度有限，覆蓋面很小，所以需要多個雷達(dá)進(jìn)行共同拼接才能實現(xiàn)大視角覆蓋， 這就會在每個激光雷達(dá)掃描的邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變與重疊，不利于算法處理。另外，懸臂 梁很細(xì)，機(jī)械壽命也有待進(jìn)一步提升。

2.2.3.3.轉(zhuǎn)鏡/棱鏡技術(shù)：結(jié)構(gòu)簡單相對低功耗，壽命長可靠性高

轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)最早應(yīng)用于車規(guī)級產(chǎn)品，目前是最主流的半固態(tài)方案。轉(zhuǎn)鏡 LiDAR 由橫軸不斷 旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和縱軸轉(zhuǎn)動的鏡子組成，通過橫軸棱鏡不斷旋轉(zhuǎn)，使光源在目標(biāo)平面上不 斷水平掃描，而縱軸擺鏡可以不斷改變光源的垂直方向。因此轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)僅需一束光源就 可以完成機(jī)械式幾十個光源才能完成的掃描任務(wù)。相對于機(jī)械式激光雷達(dá)，其功耗較低，同 時又具有滿足車規(guī)級要求的壽命與可靠性。但其由于需要極高的轉(zhuǎn)動頻率需要成百上千次的 轉(zhuǎn)動，對機(jī)械部件的壽命構(gòu)成了威脅。其單個光源需要等效機(jī)械式雷達(dá)幾十線束的效果，也 提高了光源自身的能量要求。

棱鏡技術(shù)代表玩家為大疆覽沃。其原理為將兩個有斜面的柱狀鏡頭組合，可以利用光的折射 控制激光的掃描方向，最終掃描出一個花瓣狀的區(qū)域。調(diào)整兩個棱鏡的轉(zhuǎn)速就可以控制掃描 的區(qū)域，其掃描路徑不會重復(fù)，理論上如果掃描時間足夠久，棱鏡激光雷達(dá)可以掃描出前方 每一個點(diǎn)的距離，具有高于其他技術(shù)路徑的視場覆蓋率和等效線數(shù)。例如小鵬 P5 的配備兩 顆 livox 棱鏡式激光雷達(dá) HAP，探測距離達(dá) 150m@10%，橫向 120°FOV，具備等效 144 線的點(diǎn)云密度，角度分辨率高達(dá) 0.16°，中心區(qū)域刷新率 20Hz，可實現(xiàn)高速公路、城區(qū)道 路等場景下遠(yuǎn)處障礙物的檢測，提升輔助駕駛行車安全。但是棱鏡技術(shù)點(diǎn)云分布中央密集， 邊緣稀疏，且控制棱鏡轉(zhuǎn)動難度較高。目前僅大疆覽沃實現(xiàn)量產(chǎn)。

2.2.3.4.OPA：產(chǎn)品小型化，無需機(jī)械掃描

光學(xué)相控陣原理類似干涉，通過改變發(fā)射陣列中每個單元的相位差，合成特定方向的光束。 經(jīng)過這樣的控制，光束便可在固定位置即實現(xiàn)對不同方向進(jìn)行掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米 級，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時 間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。目前真正投入使用的主要是美國的 Quanergy 公司。

2.2.3.5.FLASH：類照相機(jī)模式，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

FLASH 閃光激光雷達(dá)原理類似照相機(jī)，但感光元件與普通相機(jī)不同，每個像素點(diǎn)可以記錄光 子飛行時間信息。通過在短時間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過高度 靈敏的接收器實現(xiàn)對環(huán)境周圍圖像的繪制。其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸壓縮空間較大和數(shù)據(jù)豐富 的特點(diǎn)，是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。然而受限于需要在有限功率下發(fā)射大面 積的激光，其不得不降低單位面積上激光的強(qiáng)度，勢必會影響到探測精度和探測距離。因此 還無法完成全路況的輔助駕駛，僅在較低速的無人外賣車、無人物流車等領(lǐng)域應(yīng)用。代表品 牌包括 Ibeo、大陸、Ouster、法雷奧等。

2.2.4.信息處理單元：集成化方向發(fā)展，SoC替代FPGA是行業(yè)趨勢

激光雷達(dá)接收的信號需要在處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計算，獲 取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型?，F(xiàn)階段主控芯片 FPGA 為行業(yè)主流， 遠(yuǎn)期企業(yè)自研 SoC 有望逐步替代。目前 FPGA 主控芯片市占率較高，但隨著主流廠商對于性 能及整體系統(tǒng)需求的提升，下一步的發(fā)展方向逐步向片上集成芯片（SoC）遷移。將探測器、 前端電路、算法處理電路、激光脈沖控制等幾個不同模塊集成在一塊芯片內(nèi)，能夠同時進(jìn)行 數(shù)據(jù)的采集與處理，甚至直接輸出點(diǎn)云圖像。國內(nèi)外的 SoC 玩家主要包括禾賽科技、Mobileye、 英特爾等。伴隨計算規(guī)模與存儲容量的增長，未來 SoC 將具備更高的集成度和更清晰的點(diǎn)云 質(zhì)量，或?qū)⒅鸩酱嬷骺匦酒?FPGA。

3.從產(chǎn)業(yè)進(jìn)程看激光雷達(dá)

3.1.下游需求：市場規(guī)模達(dá)百億美元，中國是最大市場之一

下游需求刺激行業(yè)快速發(fā)展，激光雷達(dá)市場規(guī)模有望達(dá)百億美元。受益于無人駕駛、高級輔 助駕駛（ADAS）和服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的需求，有望迎來高速增長期。據(jù) Velodyne 預(yù)測，2022 年 智能駕駛將占總市場規(guī)模的 60.5%，成為激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)最大的增長極，工業(yè)、無人機(jī)、機(jī)器 人領(lǐng)域各占比 24.4%、8.4%、4.2%。根據(jù)沙利文的統(tǒng)計及預(yù)測，受無人駕駛車隊規(guī)模擴(kuò)張、 激光雷達(dá)在高級輔助駕駛中滲透率增加、以及服務(wù)型機(jī)器人及智能交通建設(shè)等領(lǐng)域需求的推 動，激光雷達(dá)整體市場預(yù)計將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，至 2025 年全球市場規(guī)模有望達(dá) 131.1 億 美元。

中國是激光雷達(dá)未來的最大市場之一。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測，中國將是全球最大的自動駕駛市 場，也是高級輔助駕駛領(lǐng)域全球最大的新車銷售市場。由于人口老齡化和產(chǎn)業(yè)升級的影響， 需要在減少人力支出的情況下增加生產(chǎn)效率，通過無人駕駛、高級輔助駕駛、服務(wù)型機(jī)器人 通過機(jī)器自動化工作來減少人力支出。

3.1.1.智能駕駛市場：ADAS+ADS雙輪驅(qū)動，激光雷達(dá)為智能駕駛畫龍點(diǎn)睛

高級輔助駕駛市場：成本不斷下降，商業(yè)化進(jìn)程有望提速。全球范圍內(nèi) L3 級輔助駕駛量產(chǎn) 車項目當(dāng)前處于快速開發(fā)之中。世界各地交通法規(guī)的修訂為 L3 級自動駕駛技術(shù)商業(yè)化落地 帶來機(jī)會。2020 年 6 月聯(lián)合國的歐洲經(jīng)濟(jì)委員會通過《ALKS 車道自動保持系統(tǒng)條例》，這是 全球范圍內(nèi)第一個針對 L3 級自動駕駛具有約束力的國際法規(guī)。隨著激光雷達(dá)成本下探至數(shù) 百美元區(qū)間且達(dá)到車規(guī)級要求，未來越來越多高級輔助駕駛量產(chǎn)項目將實現(xiàn)量產(chǎn)；根據(jù) Forst & Sullivan 的研究報告，2021-2026E、2026E-2020E 全球乘用車新車市場 ADAS 車輛銷售 CAGR 有望達(dá) 75.5%、30.5%，其中中國增速最高，分別為 92.2%/29.3%。

激光雷達(dá)在 ADAS 應(yīng)用：海內(nèi)外持續(xù)發(fā)展，2025 年全球市場規(guī)模有望達(dá) 6.2 億美元。2020 年 10 月，百度在北京全面開放無人駕駛出租車服務(wù)，在 13 個城市部署總數(shù)測試車輛，并且與 一汽紅旗合作實現(xiàn)了中國首條 L4 級自動駕駛乘用車生產(chǎn)線建設(shè)，具備批量生產(chǎn)能力。根據(jù) Forst & Sullivan 研究估計，2026 年 ADAS 領(lǐng)域使用激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá) 12.9 億美元，其 中中國、美國、其他地區(qū)分別為 6.7/3.5/2.7 億美元。2030 年 ADAS 領(lǐng)域使用激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè) 規(guī)模有望達(dá) 64.9 億美元，其中中國、美國、其他地區(qū)分別為 32.5/13.0/19.5 億美元。

激光雷達(dá)是無人駕駛的“眼睛”，激光雷達(dá)上車是智能駕駛的點(diǎn)睛之筆。從自動駕駛技術(shù)發(fā) 展來看，L0-L2 階段，傳感器與控制系統(tǒng)的革新是主要變化；L3-L4 階段，感知與決策能力的 增強(qiáng)是主要變化。L2、L3 及 L4 級別的智能駕駛所需激光雷達(dá)臺數(shù)分別為 0 臺、1 臺和 5 臺， 激光雷達(dá)稱為推動智能駕駛發(fā)展的重要因素。就國內(nèi)市場而言，中國擁有世界最大的高級輔 助駕駛和無人駕駛市場，成長空間也最為廣闊。2020 年 11 月發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路 線圖（2.0 版）》明確指出到 2030 年我國 L2 和 L3 級滲透率要超過 70%。

3.1.2.其他應(yīng)用場景：車聯(lián)網(wǎng)+機(jī)器人多應(yīng)用場景探索，釋放市場更多增量

智慧城市、車聯(lián)網(wǎng)等場景有助于催生路側(cè)激光雷達(dá)市場成長。世界范圍來看，中國車聯(lián)網(wǎng)發(fā) 展速度最快，戰(zhàn)略化程度最高。2020 年 2 月，國家發(fā)展改革委、工信部、科技部等 11 個部 委聯(lián)合印發(fā)《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，提出到 2025 年，車用無線通信網(wǎng)絡(luò)（LTE-V2X 等） 實現(xiàn)區(qū)域覆蓋，新一代車用無線通信網(wǎng)絡(luò)（5G-V2X）逐步開展應(yīng)用，高精度時空基準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng) 絡(luò)實現(xiàn)全覆蓋。激光雷達(dá)結(jié)合智能算法，能夠提供高精度的位置、形狀、姿態(tài)等信息，實現(xiàn) 對交通狀況進(jìn)行全局性的精確把控，對車路協(xié)同功能的實現(xiàn)至關(guān)重要。隨著智能城市、智能 交通項目的落地，未來該市場對激光雷達(dá)的需求將呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢。

疫情刺激服務(wù)型機(jī)器人市場發(fā)展，2030 年激光雷達(dá)該領(lǐng)域規(guī)模預(yù)計達(dá)到 16.7 億美元。服務(wù) 型機(jī)器人主要應(yīng)用范圍包括無人配送、無人清掃、無人倉儲、無人巡檢等。面對新冠疫情， 無人配送能夠避免人與人的不必要接觸，減少交叉感染概率。2019 年 12 月，美國自動駕駛 送貨科技公司 Nuro 宣布與零售巨頭 Kroger 合作，在休斯頓為顧客提供無人送貨服務(wù)。2020 年 7 月，京東物流無人配送研究院項目落戶常熟高新區(qū)，其無人配送車也正式上線。2020 年 10 月，美團(tuán)正式發(fā)布位于北京首鋼園區(qū)的智慧門店 MAIShop，集成了無人微倉與無人配送服 務(wù)。根據(jù)禾賽科技公開招股書援引沙利文研究預(yù)測，伴隨全球服務(wù)型機(jī)器人出貨量的增長以 及激光雷達(dá)在服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域滲透率的提升，至 2026 年激光雷達(dá)在該細(xì)分市場預(yù)計達(dá)到 4.7 億美元市場規(guī)模，2021 年至 2030 年的復(fù)合增長率可達(dá) 71.5%。

3.2.產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/strong>

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游（光學(xué)和電子元器件）、中游（集成激光雷達(dá)）、下游（不同 應(yīng)用場景）。其中上游為激光發(fā)射、激光接收、掃描系統(tǒng)和信息處理四大部分，包含大量的 光學(xué)和電子元器件。中游為集成的激光雷達(dá)產(chǎn)品，下游包括軍事、測繪、無人駕駛汽車、高 精度地圖、服務(wù)機(jī)器人、無人機(jī)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

（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。）