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激光雷達產業(yè)鏈有哪些投資價值?

激光制造網 來源:激光行業(yè)觀察2022-09-29 我要評論(0 )   

激光雷達是一種利用激光來實現精確測距的傳感器,在廣義上可以認為是帶有3D深度信息的攝像頭,被譽為“機器人的眼睛”。激光雷達產業(yè)自誕生以來,緊跟底層器件的前沿發(fā)...

激光雷達是一種利用激光來實現精確測距的傳感器,在廣義上可以認為是帶有3D深度信息的攝像頭,被譽為“機器人的眼睛”。

激光雷達產業(yè)自誕生以來,緊跟底層器件的前沿發(fā)展,呈現出了技術水平高的突出特點。
從激光器發(fā)明之初的單點激光雷達到后來的單線掃描激光雷達,以及在無人駕駛技術中獲得廣泛認可的多線掃描激光雷達,再到技術方案不斷創(chuàng)新的固態(tài)式激光雷達、FMCW激光雷達,以及近年來朝向芯片化、陣列化持續(xù)發(fā)展,激光雷達一直以來都是新興技術發(fā)展及應用的代表。
中信證券丁奇、楊澤原在其9月27日發(fā)布的《從拆解五款激光雷達看智能駕駛投資機遇》報告中分析了激光雷達產業(yè)鏈的投資價值,包括整機、發(fā)射芯片、接收端、校準端、TEC和掃描端。

一、激光雷達整機的投資價值


雖然當前入局廠商眾多,但中信證券認為行業(yè)門檻較高, 最終會有較高的集中度和毛利率,CR5集中度預計會超85%,毛利率預計35%+, 門檻體現在三個方面:

1)車規(guī)壁壘:激光雷達是一款“機械+光學+電子”產品,車規(guī)難度高,上車周期長。廠商的第一款車規(guī)級激光雷達,總歷時可能接近四年半到五年時間。此外,根據我們的了解,車廠的DV測試周期三個月到半年不等,一般需要至少兩輪DV才能滿足認證要求。
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2)算法壁壘:由于激光雷達光學路徑設計非標,使得算法和整機必須是耦合的關系,而不是像攝像頭模組一樣軟硬件解耦,從而有更高的毛利率。激光雷達算法包含四個方面:
(1)光源生成:由 FPGA、 Laser Driver 及相關算法生成,同時由 FPGA 形成抗干擾編碼等;(2)光源掃描:電機、MEMS 等相關部件的掃描算法、ROI 區(qū)域形成由 DSP 等器件來完成;(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:點云生成、狀態(tài)數據、消息數據等。
3)芯片壁壘:頭部激光雷達公司正在將TIA、ADC、 FPGA、DSP集成到一個SOC里,降本增效的同時提升行業(yè)門檻。

二、激光雷達產業(yè)鏈的投資價值


1.發(fā)射端:國產激光芯片從VCSEL開始突破,快慢軸準直有較高壁壘
在激光雷達中,發(fā)射端是價值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。
中信證券表示:

在發(fā)射端中,隨著國內產業(yè)鏈崛起以及產業(yè)的整體技術路線調整,905nm VCSEL激光芯片等產品有望在市場實現突破。此外,1550nm光源也具備獨特優(yōu)勢,與主流的905nm形成錯位競爭,未來隨著FMCW測距路線的逐步發(fā)展,預計其份額還有進一步增長的空間。

2.光源:905nm走向VCSEL大勢所趨,1550nm實現錯位競爭
發(fā)射端的“心臟”就是光源。目前,決定光源技術路線的主要可以歸納為發(fā)光波長、激光器結構兩大指標。按照波長劃分,最主流的是905nm波長和1550nm波長。按照結構來劃分則主要分為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、無熱化三大問題,以下中信證券整理的不同技術路線的優(yōu)劣勢與特點,以及對應產業(yè)鏈環(huán)節(jié)的壁壘和價值:

1、為什么激光雷達會選擇在905nm和1550nm發(fā)光?
這與現存的產業(yè)鏈成熟度有關。1550nm光纖激光器是光通信領域應用最廣的光源之一,而905則與消費電子共用產業(yè)鏈(手機上的3D ToF傳感器通常使用940nm光源,與905基本屬于同種半導體激光器,可以共用 GaAs 材料體系),所以都有一定的發(fā)展基礎。
2、選擇905nm還是1550nm?
受到人眼限制,1550nm 路線的探測距離優(yōu)勢明顯,而受到材料限制, 905nm路線的成本優(yōu)勢也同樣明顯,因此二者構成錯位競爭。預計1550nm激光雷達將主要要用于以安全性為核心賣點的車輛(如沃爾沃等)、價位和品牌定位較為高檔的車輛(如蔚來、奔馳、上汽飛凡R等)、重卡(剎車距離較長,奔馳重卡采用 1550nm 激光雷達) 等特殊定位的車輛。其余車輛受限于成本,則更適合采用905nm激光雷達。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在低溫漂EEL 上通過專利構筑了自己的優(yōu)勢,而溫漂是激光雷達的一個很大的挑戰(zhàn)。
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4、低成本,VCSEL取代EEL大勢所趨
VCSEL取代EEL的首要原因是成本,按照Yole的統(tǒng)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,成本會進一步提高。
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VCSEL取代EEL的第二大原因是因為過去VCSEL發(fā)光功率低的問題已經被新的 “多結”工藝所解決。
此前由于VCSEL發(fā)展較晚,而且更多用于消費電子,對大功率沒有需求,所以此前的VCSEL大多都是單層結的,功率較小。此隨著近年來VCSEL結數的不斷增加,最后一塊短板已經被補齊,在激光雷達領域替代 EEL已經完全可行。

3.接收端:905nm走向SiPM,1550nm 使用APD,PDE與可靠性是關鍵
目前激光雷達所用的接收端主要分APD、SPAD/SiPM 兩大路線,這兩種路線其實同根同源,都是利用二極管的雪崩擊穿效應。
PD、APD、SPAD本質相同,只是工作于不同的反向電壓下,導致1個光子能夠激發(fā)出的電子數量不同,探測靈敏度也就隨之產生了極大的差距:

APD:低成本高可靠仍有價值,1550路線需使用APD
目前APD與SiPM相比靈敏度上存在較大差距,因此在較新的追求探測距離的905路線激光雷達上已經出現了被替代的趨勢。但APD受自然光和環(huán)境溫度干擾程度更輕, 在強烈陽光等場景下也具有其價值。
目前在1550nm APD領域,我國已有企業(yè)布局,例如芯思杰為鐳神智能開發(fā)陣列SPAD,也正在和國內其余頭部激光雷達在合作。
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SPAD/ SiPM:905nm路線替代APD已成大勢,關注PDE與可靠性
SPAD/SiPM路線面臨的一個比較明顯的問題是自然光干擾,尤其是強烈日光的干擾。由于日光是連續(xù)譜,幾乎涵蓋了所有激光雷達的工作波長,所以僅靠濾光片是無法完全濾除陽光的,強烈的陽光入射會導致SiPM中多個SPAD單元飽和,并且在恢復初始狀態(tài)前都無法吸收光子,因而有可能漏掉真正的反射信號。
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4.掃描端:轉鏡的核心壁壘在時序控制算法,MEMS 振鏡有較高難度
中信證券表示,目前市面上主流的長距離激光雷達掃描方式為轉鏡類和MEMS類,預計在短期內這一局面仍將持續(xù)。
轉鏡:簡單可靠,目前最容易通過車廠認證的路線
中信證券表示,通常轉鏡只需保證勻速旋轉即可,無需變速或其他特殊控制,整體難度不高。

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(密集掃描重點關注區(qū)域,其他區(qū)域保持常規(guī)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。
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另外一種是轉鏡與線光斑的組合。線光斑路線的優(yōu)勢在于發(fā)射的是連續(xù)的線光斑,因此垂直方向的分辨率非常高,而且如果需要進一步增加垂直分辨率,只需增加接收端的分辨率,無需增加激光器(發(fā)射端分辨率約等于無限),升級成本更低。

MEMS 振鏡:尺寸較小,平衡性能與體積
電磁式無需高電壓驅動,無需升壓電路,而且驅動力明顯大于靜電式(可以驅動更大的鏡片,使激光束可以始終完全擊中大幅擺動的鏡片), 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。
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雙楔形棱鏡:低成本設計,最有利于低價的方案
新款雙楔形棱鏡利用菲涅爾原理,去掉了棱鏡上不發(fā)揮作用的部分,肉眼可見,新的棱鏡每一片都可以分成兩截, 實現了減重以及體積收縮,更適合汽車場景。
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5.信號處理:LD 驅動與 TIA 屬必需品,FPGA 主要進行時序控制和算法
LD Driver:越快越好,最大化利用瞬時功率的選擇
LD Driver 即激光器驅動芯片,它負責在接收到主控芯片的“發(fā)光”指令后,給激光器產生一個具體的控制信號。
TIA:高速運放,SiPM 仍需使用
完成放大和電流轉電壓 任務的就是跨阻放大器TIA(trans impedance amplifier), 屬于高速運放的一種。
中信證券表示:

目前高速運放領域主要被TI、ADI等國外廠商占據,但國內激光雷達廠商表現出一些自研的趨勢,例如鐳神智能與禾賽科技等公司都在自研TIA。根據禾賽科技招股說明書, 其自研的TIA在通道數、功耗、展寬、通道隔離度方面都比ADI的產品占據優(yōu)勢。

TDC、ADC:TDC適合低成本場景,ADC支持更精密測量
TDC(時間數字轉換器)主要發(fā)揮計時器功能,通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡單的系統(tǒng);ADC通常用于更復雜的系統(tǒng)。
中信證券表示:

目前高速ADC主要由國外廠商生產,但國產也有望在未來進行自研。根據禾賽科技招股說明書,其自研的高速 ADC 芯片性能超越 TI 的同類產品,在采樣率不變的前提下, 分辨率、功耗、信噪比都有改善,并且還內置了 PLL 鎖相環(huán)。

FPGA:適應算法快速迭代,專用電路設計比CPU高效率
FPGA通常在激光雷達中充當主控芯片。中信證券表示:

相較于CPU,激光雷達需要進行大量的信號處理、電機時序控制等,CPU雖然也能做,但如果采用專用的算法以及為算法專門優(yōu)化設計的電路,FPGA的效率會高得多。


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