當前 L2 級自動駕駛感知系統(tǒng)主要由超聲波雷達、毫米波雷達、攝像頭等車載傳感器組成。特斯拉環(huán)繞車身共配有8個攝像頭，視野范圍達360度，對周圍環(huán)境的監(jiān)測距離最遠可達250米。

12個新版超聲波傳感器作為整套視覺系統(tǒng)的補充，可探測到柔軟或堅硬的物體，傳感距離和精確度接近上一代系統(tǒng)的兩倍。增強版前置雷達通過發(fā)射冗余波長的雷達波，能夠穿越雨、霧、灰塵，甚至前車的下方空間進行探測，為視覺系統(tǒng)提供更豐富的數(shù)據(jù)。 

激光雷達被認為是 L3 級及以上自動駕駛必備傳感器。激光雷達兼具測距遠、角度分辨率優(yōu)、受環(huán)境光照影響小的特點，且無需深度學習算法，可直接獲得物體的距離和方位信息。

這些相較于其他傳感器的優(yōu)勢，可顯著提升自動駕駛系統(tǒng)的可靠性，因而被大多數(shù)整車廠、Tier 1認為是L3級及以上自動駕駛（功能開啟時責任方為汽車系統(tǒng)）必備的傳感器。 

1.2 全球L3 級量產(chǎn)車快速開發(fā)中，國內(nèi)激光雷達加速上車 

全球范圍內(nèi)L3 級輔助駕駛量產(chǎn)車項目當前處于快速開發(fā)之中。BMW預計在2021年推出具有L3級自動駕駛功能的BMW Vision iNEXT；Mercedes-Benz首款L3級自動駕駛系統(tǒng)將于2021年在新款S級車型上推出；

Volvo預計在2022年推出配備激光雷達的自動駕駛量產(chǎn)車型，實現(xiàn)沒有人工干預情況下的高速行駛；Honda計劃于2021年在其Legend車型上提供L3級自動駕駛系統(tǒng)。 

隨著成本不斷下探且達到車規(guī)級要求，激光雷達有望實現(xiàn)高速增長?？紤]全球高級輔助駕駛項目的發(fā)展進度，2020 年及 2021 年 ADAS 領(lǐng)域激光雷達的銷售主要仍由SCALA貢獻。隨著激光雷達成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達到車規(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) SOP；

根據(jù)Yole的研究報告，至2025 年全球乘用車新車市場L3級自動駕駛的滲透率將達約6%，即每年將近600萬輛新車將搭載激光雷達。激光雷達在高級輔助駕駛領(lǐng)域的市場規(guī)模將在未來5年里保持高速增長，按照沙利文預計，2025年激光雷達市場規(guī)模預計將達到46.1億美元，2019年至2025年復合增長率達83.7%。 

蔚來ET7搭載Innovusion 超遠距高精度激光雷達。蔚來ET7搭載33個高性能感知硬件，定義量產(chǎn)車自動駕駛感知系統(tǒng)全新標準，包含11個800萬像素高清攝像頭、5個毫米波雷達、12個超聲波雷達、1個激光雷達、2個高精度定位單元、1個車路協(xié)同感知和1個ADMS增強主駕感知。

其中，激光雷達為蔚來與Innovusion合作開發(fā)，最遠探測距離達500m，水平視角120°，最高分辨率0.06°×0.06°，采用1550nm安全激光，避開了人眼敏感的900nm波長，兼顧性能和他人安全。  

小鵬汽車將搭載Livox激光雷達。小鵬汽車宣布與大疆孵化的Livox覽沃科技達成合作，將在2021 年推出的全新量產(chǎn)車型上使用其生產(chǎn)的小鵬定制版車規(guī)級激光雷達， Livox也正式成為小鵬汽車在激光雷達領(lǐng)域的首家合作伙伴。

在本次合作中，Livox 覽沃科技基于浩界 Horiz車規(guī)級激光雷達平臺為小鵬汽車進行了一系列定制化開發(fā)，最終提供的車規(guī)級量產(chǎn)版本在量程、FOV、點云密度等多個核心指標上都做到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。 

長城將搭載ibeoNEXT激光雷達，欲實現(xiàn)中國首個配置激光雷達的自動駕駛。咖啡智駕搭載的全球首款能夠真正量產(chǎn)的車規(guī)級高性能固態(tài)激光雷達，角分辨率達0.05°*0.07°，性能高出普通無人駕駛車型所采用的機械激光雷達5倍，配合毫米波雷達、攝像頭、超聲波雷達等配置帶來全方位360°雙倍無死角覆蓋。 

2.1 激光雷達結(jié)構(gòu)拆分 

激光雷達系統(tǒng)可拆分成激光發(fā)射、掃描系統(tǒng)、激光接收和信息處理四個部分。 

2.2 激光發(fā)射系統(tǒng)：波長影響激光功率，激光器是核心 

基本原理：激勵源周期性地驅(qū)動激光器，發(fā)射激光脈沖，激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過發(fā)射光學系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標物體。 

激光波長：激光最關(guān)鍵指標在于波長，一般會考量四個因素：人眼安全、與大氣相互作用、可選用的激光器以及可選用的光電探測器。目前業(yè)內(nèi)主流采用 905nm 和1550nm 兩種波長，905nm 波長適用的光電探測器比1550nm 的更便宜，但1550nm對人眼安全性更高。針對于與大氣相互作用，1550nm吸水率比905nm更強，但905nm的光損失更少。 

激光器：當前階段重要有EEL激光器、VCSEL激光器和光纖激光器等。 

?EEL激光器：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)光面位于半導體晶圓的側(cè)面，使用過程中需要進行切割、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器件進行光束發(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激光器：垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）其發(fā)光面與半導體晶圓平行，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，在精度層面由半導體加工設(shè)備保障，無需再進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)長距激光雷達提供了可能。

?光纖激光器：以摻有激活粒子的光纖為激光介質(zhì)的激光器，通常以半導體激光器作為能量泵浦源（以半導體激光器發(fā)出的光，泵浦光纖增益介質(zhì)產(chǎn)生光）。

2.3 激光掃描系統(tǒng)：MEMS漸成主力，F(xiàn)lash/OPA純固態(tài)方案值得期待 

2.3.1 機械式激光雷達 

機械式激光雷達通過電機帶動收發(fā)陣列進行整體旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對空間水平360°視場范圍的掃描。測距能力在水平360°視場范圍內(nèi)保持一致。 

傳統(tǒng)機械式激光雷達難以滿足車規(guī)級要求。傳統(tǒng)機械式激光雷達，通過電機帶動整個激光頭做圓周運動，其掃描方式通常呈360度線式掃描。這種方式帶來的直接后果是無論掃描時間多長，線與線之間總會有間隙，存在漏檢物體的可能性。

而更為糟糕的是，占整個雷達70%質(zhì)量的重要部件，包括激光發(fā)射、接收等精密的電子器件，都在不停地一邊運動，一邊工作，這種機械運動以及旋轉(zhuǎn)部件動平衡上的誤差帶來的磨損、振動等，大大降低了雷達的穩(wěn)定性和可靠性。

而且多線激光雷達這種轉(zhuǎn)動的工作模式，若采用滑環(huán)設(shè)計會容易失效，而無線供電的方式則不夠穩(wěn)定，很難滿足車規(guī)級別的應(yīng)用場景。 

Livox推出棱鏡式激光雷達，采用非重復掃描技術(shù)。為避免上千個電子部件同時旋轉(zhuǎn)，Livox將所有的發(fā)射和接收部件移到穩(wěn)定的后端，在前端只用兩三個棱鏡做高速純光學掃描，在技術(shù)上為穩(wěn)定性提供了可能。此外，Livox的點云特性覆蓋率隨時間不斷增加，并且無需進行重復掃描。 

2.3.2 MEMS 激光雷達 

MEMS激光雷達通過硅基芯片上微振鏡以一定諧波頻率的振蕩，來反射激光器的光線，從而以超高的掃描速度形成高密度的點云圖。由此改變單個發(fā)射器的發(fā)射角度進行掃描，形成較廣的掃描角度和較大的掃描范圍。 

?優(yōu)點：其核心光束操縱元件為MEMS微振鏡，大大減少了激光雷達的尺寸，減少激光器和探測器數(shù)量，極大地降低成本，具有高性能、穩(wěn)定可靠、易于生產(chǎn)制造等優(yōu)點，兼顧車規(guī)量產(chǎn)與高性能的需求。

?缺點：MEMS激光雷達并沒有完全消除機械，只是將掃描單元變成了MEMS微振鏡，仍然存在微振鏡的振動，所以它并不能算純固態(tài)激光雷達，而是混合固態(tài)雷達（也稱類固態(tài)/半固態(tài)雷達）。

其光路較復雜，微振鏡結(jié)構(gòu)會影響整個激光雷達的壽命，激光功率較低，信噪比較低、有效距離較短，并且激光掃描范圍受微振鏡面積限制，視野相對較窄。

2.3.3 Flash 激光雷達 

Flash激光雷達，指一次閃光（激光脈沖）成像的激光雷達，在發(fā)射端采用面光源，短時間發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的面陣激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制，它也是目前唯一的非掃描式激光雷達，能夠達到最高等級的車規(guī)要求。 

這種激光雷達的缺點很明顯，功率密度太低，導致其有效距離一般難以超過50米，分辨率也比較低。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先進的激光發(fā)射陣列，讓發(fā)光單元按一定模式導通點亮，以取得掃描器的效果。 

2.3.4 OPA 激光雷達 

OPA激光雷達是運用相干原理，采用多個光源組成陣列，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度，通過控制各光源發(fā)射的時間差，可以合成角度靈活、精密可控的主光束，實現(xiàn)對不同方向的掃描。 

?優(yōu)點：這種固態(tài)激光雷達有著掃描速度快，精度高，可控性好，抗振性能好，體積小，量產(chǎn)一致性高，成本更低等優(yōu)點。

?缺點：OPA激光雷達仍有易形成旁瓣效應(yīng)，光信號覆蓋有限、環(huán)境光干擾、測距較短等問題，而且加工難度較高。

2.4 激光接收系統(tǒng)：光電探測器是關(guān)鍵 

探測器指利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)對光信號進行探測的裝置。目前激光雷達領(lǐng)域常用的探測器主要包括APD、SPAD和SiPM等。 

APD 是一種具有高速度、高靈敏度的光電二極管，當加有一定的反向偏壓后，它就能夠?qū)怆娏鬟M行雪崩放大。而 APD 的反向偏壓被設(shè)定為高于擊穿電壓時，內(nèi)部電場更強，光電流則會獲得 105～106 的增益，這種工作模式就叫 APD 的“蓋革模式”。

在蓋革模式下，光生載流子通過倍增就會產(chǎn)生一個大的光脈沖，而通過對這個脈沖的檢測，就可以檢測到單光子。將蓋革模式下的 APD 上連接一個淬滅電阻作為 1 個像素，就構(gòu)成了 SiPM 的基本單元，而它輸出的總和也構(gòu)成了 SiPM 的輸出，后則可根據(jù)該輸出進行光子計數(shù)或者信號強度的測量。 

2.5 信息處理系統(tǒng)：車載激光雷達的三類應(yīng)用算法 

現(xiàn)有車載激光雷達應(yīng)用算法都具有不同程度的局限性。首先，算法可靠性和實時性相互制約，二者難以同時滿足；其次，算法多為針對某一特定場景開發(fā)， 難以保證可移植性和穩(wěn)定性。 

場景的復雜性和多樣性使得算法的研究異彩紛呈，呈現(xiàn)出多層次、多角度的多元組合態(tài)勢。車載激光雷達應(yīng)用算法可分為三類：點云分割算法、目標跟蹤與識別算法、即時定位與地圖構(gòu)建算法（simultaneous localization and mapping，SLAM）。

各類算法的合理選擇使用將解決不同場景下的智能駕駛問題，其中點云分割算法是目標跟蹤與識別的基礎(chǔ)，目標跟蹤與識別將實現(xiàn)對汽車周圍障礙物運動狀態(tài)和幾何特征的判斷，SLAM將實現(xiàn)汽車的精確定位與可通行路徑規(guī)劃。 

信噪比，英文名稱叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISE RATIO)，又稱為訊噪比。是指一個電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例。 

信噪比的計量單位是dB。對于一張圖像來說，計算信噪比可以按照 20lg(信號/噪聲) 這個公式來計算，從公式可以看出信噪比應(yīng)該越高越好。信噪比高，反應(yīng)在畫質(zhì)上就是畫面干凈無噪點；信噪比低會使圖像粗糙噪聲多，畫面發(fā)灰不通透，對比度不夠。 

信噪比是激光雷達系統(tǒng)中非常重要的設(shè)計指標，對探測距離、測距精度都產(chǎn)生重大影響。根據(jù)傳感器技術(shù)官方微信公眾號的介紹，激光雷達系統(tǒng)的信噪比 SNR 計算方程如下： 

因此，根據(jù)上述公式，要提高激光雷達的信噪比，最簡單有效的方法是：1）提高接收信號光功率；2）提高探測器的量子效率；3）采用相干探測方法。

3.1 提高接收信號光功率：1550nm波長+光纖激光器+InGaAs接收器 

1550nm波長激光雷達加大信號光功率不會對人眼造成傷害。目前市場上大部分的激光雷達都采用了近紅外波段的905nm半導體激光器發(fā)射激光脈沖，然后記錄反射光來創(chuàng)建汽車周圍環(huán)境的點云圖。

但是，人眼內(nèi)部對于905nm波長的光相當于是“透明的”，因此采用905nm波長的激光雷達可以直射脆弱的視網(wǎng)膜。但是人眼對于1550nm波長的光則是不透明的，因而該波長的光無法投射到視網(wǎng)膜上，從而可以采用更高功率的激光雷達而不會對人眼造成傷害。 

Luminar利用1550nm激光器獲得了40倍于905nm激光器的激光脈沖強度。超強的功率使其激光雷達的探測范圍擴大了10倍，分辨率提高了50倍。 

1550nm 波長激光雷達需要采用光纖激光器，搭配InGaAs接收器。硅基傳感器對1550nm波長的激光沒有響應(yīng)，但室溫下的銦鎵砷（InGaAs）傳感器可以。 

Luminar在2018年收購了美國芯片設(shè)計商Black Forest Engineering，后者一直專注于研究高性能 InGaAs 接收器，可用于探測 Luminar 激光雷達系統(tǒng)所特有的 1550nm波長激光。 

3.2 提高探測器的量子效率：SPAD和SiPM探測器 

SiPM 和 SPAD 正成為新興的激光雷達探測器。SiPM 和 SPAD 可探測距離超過200m、5%的低反射率目標，在明亮的陽光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設(shè)計實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢。

3.3 采用相干探測方法：FMCW調(diào)頻連續(xù)波 

FMCW 激光雷達發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光，通過回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離，同時也能夠根據(jù)多普勒頻移信息直接測量目標物的速度，其技術(shù)發(fā)展方向為利用硅基光電子技術(shù)實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)的芯片化。 

FMCW 激光雷達的高靈敏性體現(xiàn)在它的單光子探測和抗干擾能力。FMCW在系統(tǒng)內(nèi)預留了一部分激光作為參考激光，用于與目標的回波激光進行混頻，通過混頻就可實現(xiàn)對目標回波激光的放大，但對自身發(fā)出的光信號不存在放大作用。

從相干激光雷達的探測信噪比可以看出，當參考激光功率足夠大，F(xiàn)MCW激光雷達就消除了熱噪聲、暗電流以及太陽背景光或其他光源的噪聲影響，使得FMCW激光雷達具備不受背景光干擾的單光子探測能力。 

內(nèi)置的參考激光另外一個優(yōu)點是使得FMCW激光雷達噪聲比較穩(wěn)定，其內(nèi)部可控制的噪聲使得FMCW激光雷達虛警概率約等于0，即每個點都是真實的目標點，無假目標點。 

FMCW激光雷達可使用基于硅光技術(shù)的鍺硅探測器，成本更低。目前FMCW激光雷達中的接收模塊主要還是利用分立的平衡光探測器（Balance Photo Detector，BPD）陣列進行相干探測。

使用基于硅光技術(shù)的鍺硅探測器能夠?qū)崿F(xiàn)單片集成BPD陣列，在保證接收模塊器件一致性的同時，可以和系統(tǒng)中其他硅基器件進行單片集成，顯著降低系統(tǒng)的尺寸和成本。 

4.1 國內(nèi)國外齊開花，技術(shù)路線各有千秋 

行業(yè)內(nèi)主要的激光雷達公司包括美國的Velodyne、Luminar、Aeva、Ouster，以色列的Innoviz，德國的Ibeo，以及國內(nèi)的速騰聚創(chuàng)。 

從技術(shù)選擇路徑和目標市場來看，Luminar、Aeva、Innoviz、Ibeo主要面向無人駕駛和量產(chǎn)乘用車ADAS市場，開發(fā)相應(yīng)的（半）固態(tài)激光雷達，其技術(shù)特點各有不同。

Luminar選用1550nm 光源和探測器而非市場主流的905nm光源和探測器，Aeva選擇FMCW而非市場主流的飛行時間法，Innoviz通過采MEMS二維微振鏡來實現(xiàn)激光掃描和接收，通過減少激光器和探測器數(shù)量來降低成本，Ibeo則選用VCSEL和SPAD面陣的純固態(tài)激光雷達方案。 

4.2 華為大疆入場，加速激光雷達降本趨勢 

基于場景分析，華為設(shè)計、開發(fā)了96線中長距激光雷達產(chǎn)品，可以實現(xiàn)城區(qū)行人車輛檢測覆蓋，并兼具高速車輛檢測能力，更符合中國復雜路況下的場景。  

?大視野120°×25°，應(yīng)對城區(qū)、高速等場景的人、車測距訴求。

?全視野中，水平、垂直線束均勻分布，不存在拼接、抖動等情況，形成穩(wěn)定的點云對后端感知算法非常友好。

?小體積，適合前裝量產(chǎn)車型需求。

Livox 覽沃科技與全球知名智能汽車品牌小鵬汽車正式達成合作。Livox 將為小鵬汽車從 2021 年開始量產(chǎn)的全新車型提供車規(guī)級激光雷達技術(shù)。在本次合作中，Livox基于浩界車載激光雷達平臺為小鵬汽車進行一系列定制化開發(fā)，最終量產(chǎn)供貨版本將實現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的性能指標。

其中，浩界車規(guī)版（Horiz）的探測距離將由公開測試版（Horizon）的90米提升至150米（針對10%反射率目標物），助力小鵬XPILOT自動駕駛輔助系統(tǒng)更加游刃有余地應(yīng)對高速公路、城區(qū)道路等場景下遠處障礙物的超前檢測。

Livox 團隊自2016 年成立以來，始終聚焦于可大規(guī)模量產(chǎn)的高性價比激光雷達技術(shù)方案的研發(fā)與產(chǎn)品化，致力于打破激光雷達行業(yè)“價格高”、“難量產(chǎn)”、“可靠性低” 三大瓶頸。

Livox團隊經(jīng)過4年潛心研發(fā)，在智能硬件制造、全球供應(yīng)鏈管理等方面已建立起強大優(yōu)勢，并于2020年推出了一系列車載激光雷達新產(chǎn)品，為激光雷達行業(yè)的量產(chǎn)化打開了新局面。Livox 具備了行業(yè)領(lǐng)先的制造能力，在實踐中積累了激光雷達精密制造面向規(guī)模化量產(chǎn)項目的寶貴經(jīng)驗，為車規(guī)級前裝市場的崛起鋪平道路。 

覓道Mid-40是Livox研發(fā)的高性價比激光雷達，可探測遠至260米的物體。獨特的非重復采樣策略，助其精確探測視場中每個細節(jié)。而這一切都蘊含于小巧的機身中，可輕松嵌入各種平臺。Mid-40現(xiàn)已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，可立即供貨，助力移動機器人、園區(qū)物流、車路協(xié)同、測繪、安防等領(lǐng)域從小批量測試走向大規(guī)模應(yīng)用。 

我們認為，以特斯拉為代表的造車新勢力在駕駛上給消費者帶來了更“智能化”的體驗，也將引領(lǐng)汽車行業(yè)L3 級及以上自動駕駛的加速落地，而激光雷達被認為是L3級及以上自動駕駛的必備傳感器，將深度受益汽車行業(yè)自動駕駛發(fā)展趨勢。

當前階段激光雷達多技術(shù)共同發(fā)展，MEMS 激光雷達漸成主力，OPA 和Flash 純固態(tài)方案未來可期，隨著激光雷達過車規(guī)和降本問題逐漸得到解決，激光雷達上車搭載有望加速。 

1）整車：L3 級及以上自動駕駛極大豐富了用戶的駕駛體驗，自動駕駛選裝、軟硬件?FOTA 給整車企業(yè)帶來新的利潤增長空間，自動駕駛領(lǐng)域布局卡位良好、具備自研能力、響應(yīng)速度更快的車企具備競爭優(yōu)勢。推薦吉利汽車、長城汽車、上汽集團、廣汽集團、長安汽車，建議關(guān)注特斯拉、蔚來汽車、小鵬汽車、理想汽車等。 

2）激光雷達供應(yīng)商：激光雷達被認為是?L3 級及以上自動駕駛的必備傳感器，將深度受益汽車行業(yè)自動駕駛發(fā)展趨勢。建議關(guān)注禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、華為、Livox 等。 

3）激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈上游供應(yīng)商：激光雷達行業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括激光器和探測器、FPGA 芯片、模擬芯片供應(yīng)商，以及光學部件生產(chǎn)和加工商等。建議關(guān)注炬光科技、安森美半導體等。