一、汽車(chē)激光雷達(dá)介紹

（一）激光雷達(dá)概念

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging, LiDAR）是一種以激光作為輻射源的探測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，能夠通過(guò)激光器和探測(cè)器組成的收發(fā)陣列，發(fā)射激光光束并接收回波信號(hào)，對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知；結(jié)合測(cè)量周?chē)矬w的位置、距離、角度等相關(guān)數(shù)據(jù)，直接獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)及精確距離、速度信息，實(shí)現(xiàn)空間三維場(chǎng)景重建。此外，通過(guò)結(jié)合預(yù)先采集的高精地圖，可實(shí)現(xiàn)高精度定位與導(dǎo)航。

Ouster Flash 激光雷達(dá)示意圖

資料來(lái)源：中國(guó)汽車(chē)激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究與未來(lái)投資預(yù)測(cè)報(bào)告（2022-2029年）

根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)汽車(chē)激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究與未來(lái)投資預(yù)測(cè)報(bào)告（2022-2029年）》顯示，激光雷達(dá)通過(guò)激光探測(cè)及點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的主動(dòng)精確測(cè)量。點(diǎn)云測(cè)繪技術(shù)是指通過(guò)大量離散點(diǎn)集合來(lái)表示空間內(nèi)物體坐標(biāo)和分布的一種技術(shù)，點(diǎn)云通常包含有位置、反射率、時(shí)間戳等信息。激光雷達(dá)發(fā)射端在激勵(lì)源的作用下，向被測(cè)物體發(fā)射激光并在表面引起散射，其中一部分光反射回接收模塊并被光電探測(cè)器接收，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路傳輸?shù)叫畔⑻幚硐到y(tǒng)進(jìn)行處理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。同時(shí)，激光雷達(dá)在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)物體不斷掃描所獲的三維坐標(biāo)，以掃描點(diǎn)形式反映分布在三維空間中形成點(diǎn)云，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)建模和成像處理，能夠得到精確的三維立體圖像。

激光雷達(dá)測(cè)距原理示意圖

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（二）激光雷達(dá)對(duì)比

當(dāng)前，應(yīng)用于智能汽車(chē)周?chē)h(huán)境感知的主流傳感器包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)。

攝像頭是一種畫(huà)面?zhèn)鞲衅鳎饕δ苁桥臄z、識(shí)別目標(biāo)物體，提供視覺(jué)信息。攝像頭能夠通過(guò)拍攝獲取車(chē)輛周?chē)膶?shí)景畫(huà)面，提取出形狀、顏色等信息，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法對(duì)車(chē)輛、行人、標(biāo)識(shí)等進(jìn)行識(shí)別。攝像頭具有較高的角度分辨率，但受光照影響較大，目標(biāo)識(shí)別與測(cè)距準(zhǔn)確度方面對(duì)算法有較強(qiáng)依賴。

毫米波雷達(dá)采用發(fā)射毫米波段電磁波的方式，根據(jù)發(fā)射頻率與接收頻率之差，對(duì)相對(duì)距離、速度、方向等進(jìn)行測(cè)量。毫米波雷達(dá)就有同時(shí)測(cè)距和測(cè)速的功能，有效探測(cè)距離可達(dá)200米，但是單顆角度分辨能力較弱，對(duì)非金屬材料的探測(cè)靈敏度較弱，導(dǎo)致在人車(chē)混雜場(chǎng)景中對(duì)行人探測(cè)效果不佳。

超聲波雷達(dá)采用發(fā)射聲波脈沖的方式，根據(jù)發(fā)射波和回波之間的時(shí)間差，對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量。超聲波經(jīng)由障礙物反射，通過(guò)接收、放大、轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)等步驟完成測(cè)距。超聲波雷達(dá)成本相對(duì)較低，但其有效探測(cè)距離通常小于5米，無(wú)法對(duì)中遠(yuǎn)距離物體進(jìn)行測(cè)量。

相較于其他傳感器，激光雷達(dá)具有測(cè)距遠(yuǎn)、精度高、角度分辨率高、受環(huán)境光照影響小等特點(diǎn)，同時(shí)可直接獲得被測(cè)物體的位置信息，無(wú)需依賴深度學(xué)習(xí)算法，能夠顯著提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性。

不同傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

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二、汽車(chē)激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展

（一）核心模塊

激光雷達(dá)核心模塊包括發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊（機(jī)械式和半固態(tài)式）和主控模塊。其中，發(fā)射模塊包括激光器及驅(qū)動(dòng)、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，用于發(fā)射探測(cè)激光束；接收模塊包括接收光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器及模擬前端，用于探測(cè)反射信號(hào)并進(jìn)行放大；掃描模塊包括掃描器及驅(qū)動(dòng)，主要用于機(jī)械式和半固態(tài)式激光雷達(dá)中，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)掃描；主控模塊涉及時(shí)序控制、波形算法處理、其他功能模塊控制、生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)等功能。

激光雷達(dá)核心模塊示意圖

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（二）激光光源

發(fā)射模塊中，激光光源是核心器件之一，半導(dǎo)體激光器是常用光源。半導(dǎo)體激光器使用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)，采用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)激光輸出。半導(dǎo)體激光器根據(jù)諧振腔制造工藝的不同，分為邊發(fā)射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。

EEL激光器的激光發(fā)射方向平行于晶圓表面，在芯片的兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔，激光平行于襯底表面發(fā)出。VCSEL激光器的激光發(fā)射方向垂直于晶圓表面，在芯片的上下兩面鍍光學(xué)膜形成諧振腔，激光垂直于襯底表面發(fā)出。

EEL芯片（左）與VCSEL芯片（右）示意圖

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激光光源選擇需綜合考慮激光雷達(dá)的技術(shù)方案、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、性能及成本需求等因素。EEL激光器具有高發(fā)光功率密度和高脈沖峰值功率，芯片輸出功率及電光效率較高，適用于APD（雪崩式光電二極管）探測(cè)器。VCSEL激光器具有低閾值電流、穩(wěn)定單波長(zhǎng)工作、可調(diào)頻調(diào)制、波長(zhǎng)漂移小等優(yōu)點(diǎn)，生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)更易于集成為芯片級(jí)二維陣列，制造成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，適用于SPAD（單光子雪崩二極管）探測(cè)器陣列。

不同激光器性能及參數(shù)對(duì)比

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常見(jiàn)的車(chē)載激光雷達(dá)波長(zhǎng)為905nm或1550nm，以905nm較為主流。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，在2021年汽車(chē)與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)份額中，905nm占69%，1550nm占14%。905nm光源優(yōu)勢(shì)在于接收端可以使用硅基探測(cè)器，具有低成本、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)；但其在10%反射率下最大探測(cè)距離多為150-200米，已接近人眼安全限制功率下的極限探測(cè)距離。而1550nm光源相較于人眼更加安全，此波長(zhǎng)下可以使用更大的光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但成本上相對(duì)更加昂貴。

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短期內(nèi)大多數(shù)激光雷達(dá)廠商選擇使用905nm波長(zhǎng)的EEL激光器結(jié)合ToF探測(cè)技術(shù)，因?yàn)槠渚哂休^為現(xiàn)成的可用性，可為車(chē)載激光雷達(dá)大規(guī)模商用提供較高性價(jià)比，同時(shí)也有部分廠商在近距離Flash激光雷達(dá)中使用VCSEL激光器。未來(lái)，F(xiàn)MCW探測(cè)技術(shù)不斷成熟將帶動(dòng)1550nm光源、固態(tài)式激光雷達(dá)推進(jìn)將帶動(dòng)VCSEL激光器成為實(shí)現(xiàn)高性能激光雷達(dá)量產(chǎn)解決方案的選擇。

采用不同激光光源的激光雷達(dá)廠商

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（三）掃描技術(shù)

根據(jù)技術(shù)架構(gòu)的差異及掃描方式的不同，激光雷達(dá)主要分為機(jī)械式激光雷達(dá)、半固態(tài)式激光雷達(dá)以及固態(tài)式激光雷達(dá)。

機(jī)械式激光雷達(dá)又稱機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)收發(fā)模塊、掃描模塊同時(shí)進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間視場(chǎng)360°范圍的覆蓋掃描。由于機(jī)械式激光雷達(dá)帶有機(jī)械式轉(zhuǎn)臺(tái)，因此存在物理磨損、壽命較短、體積較大等缺點(diǎn)。

半固態(tài)式激光雷達(dá)的收發(fā)模塊靜止，僅掃描模塊發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，掃描模塊通過(guò)轉(zhuǎn)鏡、棱鏡或MEMS（微振鏡）等結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，完成發(fā)射光束的空間偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)掃描和探測(cè)。由于半固態(tài)式激光雷達(dá)收發(fā)模塊與掃描模塊解耦，體積更為緊湊，適用于部分視場(chǎng)角（如前向）的探測(cè)。轉(zhuǎn)鏡、棱鏡方案中，電機(jī)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)光學(xué)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而將光束反射至空間一定范圍中實(shí)現(xiàn)掃描。MEMS方案中，反射鏡在內(nèi)的機(jī)械部件利用半導(dǎo)體工藝全部集成在單個(gè)芯片上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制反射鏡的擺動(dòng)或偏移，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射光束的控制，因此具有體積小、頻率高、振幅小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

固態(tài)式激光雷達(dá)內(nèi)部無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊，不含機(jī)械掃描器件，體積最為緊湊，適用于部分視場(chǎng)角（如前向）的探測(cè)。固態(tài)式激光雷達(dá)包括Flash方案、OPA（Optical Phase Array）方案等。Flash方案，即泛光面陣式方案，通過(guò)短時(shí)間內(nèi)直接發(fā)射出一大片激光覆蓋探測(cè)區(qū)域，再利用高靈敏度探測(cè)器接收反射光，記錄每個(gè)像素點(diǎn)的飛行時(shí)間并進(jìn)行成像，從而完成測(cè)距及對(duì)環(huán)境信息的采集。OPA方案，即光學(xué)相控陣方案，由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過(guò)調(diào)節(jié)陣列移相器中每個(gè)移相器的相位，利用相干原理，在特定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉光束，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的偏轉(zhuǎn)及一定空間范圍內(nèi)的掃描。

據(jù)Yole數(shù)據(jù)，在2021年汽車(chē)與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)份額中，機(jī)械式、MEMS方案、Flash方案占比分別為66%、17%、10%。雖然目前市場(chǎng)份額中仍以機(jī)械式為主，但其體積、壽命等缺點(diǎn)難以滿足車(chē)規(guī)要求。MEMS方案等半固態(tài)式激光雷達(dá)產(chǎn)品成熟度較高、易過(guò)車(chē)規(guī)，逐漸成為車(chē)企的主流選擇。Flash方案具有體積小、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前固態(tài)式激光雷達(dá)的主流方案。OPA方案由于存在旁瓣效應(yīng)，加工精度要求高，制造工藝難度大，進(jìn)展相對(duì)緩慢；但OPA方案結(jié)合FMCW測(cè)距法具有可直接測(cè)量待測(cè)物體速度信息、抗干擾能力強(qiáng)、具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

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（四）接收模塊

根據(jù)選用光電探測(cè)器的不同，激光雷達(dá)接收模塊主要包括PD（PIN Diode）光電二極管、APD（Avalanche Photo Diode）雪崩式光電二極管、SPAD（Single Photon Avalanche Diode）單光子雪崩二極管和SiPM（Silicon Photo-Multiplier）硅光電倍增管。與普通二極管反向截止特性不同，光電二極管在反向電壓作用下工作，無(wú)光照時(shí)存在微弱暗電流，有光照時(shí)迅速增大為光電流，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。PD、APD、SPAD均是基于PN結(jié)的光電二極管，工作在不同的電壓區(qū)間。PIN是在PN結(jié)的P區(qū)與N區(qū)之間摻入濃度很低的I型半導(dǎo)體，吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光電探測(cè)器。PIN施加較小的反向偏置電壓后，耗盡區(qū)在本征層中擴(kuò)展，穩(wěn)定后無(wú)移動(dòng)的電荷載流子。當(dāng)光子進(jìn)入I區(qū)被吸收后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在耗盡區(qū)勢(shì)壘電場(chǎng)作用下電荷載流子沿相反方向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。APD工作在線性模式（Linear Mode），偏置電壓較高，接近但低于反向擊穿電壓。通過(guò)施加反向電壓產(chǎn)生內(nèi)部增益，當(dāng)光子進(jìn)入后，二極管將產(chǎn)生較大電流，因此可以測(cè)量低水平的光信號(hào)，同時(shí)具備較好的線性。相較于PIN，APD具有更高信噪比、快速相應(yīng)、低暗電流和高靈敏度的特點(diǎn)。SPAD工作在蓋革模式（Geiger Mode），偏置電壓高于擊穿電壓。即使僅一個(gè)光子進(jìn)入后，二極管持續(xù)處于反向擊穿狀態(tài)，產(chǎn)生特定于元件的飽和輸出電流，表現(xiàn)出無(wú)窮大的增益，因此具備單光子探測(cè)能力。

SiPM是由多個(gè)工作在蓋革模式下的SPAD傳感器陣列組成的新型光電探測(cè)器件。根據(jù)SiPM的電路結(jié)構(gòu)圖顯示，其作為一個(gè)像素的基本單元是蓋革模式下的SPAD與淬滅電阻的組合，通過(guò)排列和連接進(jìn)而形成大量的二維陣列。與只能檢測(cè)單個(gè)光子的SPAD不同，SiPM通過(guò)基本單元克服單光子限制，具有在高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的多光子檢測(cè)能力。

APD是最早用于車(chē)載激光雷達(dá)的光電探測(cè)器之一，已被大多數(shù)廠商采用。SPAD具有靈敏度高、噪聲低、時(shí)間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，并且能夠進(jìn)行單片集成或封裝級(jí)集成，實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)。SiPM由于工藝難度較高雖暫未大規(guī)模采用，但其具備高增益、高靈敏度、高檢測(cè)效率等優(yōu)點(diǎn)，具備高性能光子計(jì)數(shù)能力，能夠完成從單個(gè)光子到數(shù)千個(gè)光子的檢測(cè)應(yīng)用，隨著未來(lái)工藝水平的提高，將會(huì)成為重要的發(fā)展方向。

（五）未來(lái)趨勢(shì)

固態(tài)VCSEL+SiPM是未來(lái)激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。目前激光雷達(dá)各技術(shù)路徑尚未收斂，各家廠商均在探索不同的發(fā)展方向。長(zhǎng)期來(lái)看，固態(tài)激光雷達(dá)不存在任何運(yùn)動(dòng)裝置，性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)，因此激光雷達(dá)未來(lái)將會(huì)朝著小型化、高性能、低成本的純固態(tài)方案演進(jìn)。隨著半導(dǎo)體工藝在激光雷達(dá)模塊中的不斷應(yīng)用，未來(lái)VCSEL與SPAD/SiPM等光電器件的成熟與配合將不斷促進(jìn)激光雷達(dá)收發(fā)模塊向陣列化、集成化發(fā)展。

三、汽車(chē)激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

下游行業(yè)的發(fā)展，將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)市場(chǎng)的發(fā)展。從無(wú)人駕駛領(lǐng)域來(lái)看，據(jù)相關(guān)研究報(bào)告顯示，中國(guó)將是全球最大的自動(dòng)駕駛市場(chǎng)，到2030年中國(guó)自動(dòng)駕駛乘用車(chē)數(shù)量將達(dá)到800萬(wàn)輛，自動(dòng)駕駛將占到乘客總里程（Passenger Kilo Meters Travelled，PKMT）的約13%，基于自動(dòng)駕駛的出行服務(wù)訂單金額將達(dá)2,600億美元。國(guó)內(nèi)企業(yè)如百度、滴滴、小馬智行、文遠(yuǎn)知行等已在多個(gè)城市開(kāi)展無(wú)人駕駛出租車(chē)業(yè)務(wù)的試運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)商業(yè)化應(yīng)用后對(duì)激光雷達(dá)的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)；從高級(jí)輔助駕駛領(lǐng)域來(lái)看，中國(guó)是全球最大的新車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)，2020年11月發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖（2.0版）》明確指出到2030年我國(guó)L2和L3級(jí)滲透率要超過(guò)70%，這將對(duì)激光雷達(dá)產(chǎn)生巨大的需求；從服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域來(lái)看，受無(wú)人物流、無(wú)人清潔、無(wú)人作業(yè)等需求的推動(dòng)，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)于服務(wù)型機(jī)器人及其搭載的激光雷達(dá)同樣擁有巨大的潛力；從車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域來(lái)看，當(dāng)前“新基建”計(jì)劃總投資額高達(dá)34萬(wàn)億元，其中“5G+車(chē)聯(lián)網(wǎng)”協(xié)同發(fā)展受到國(guó)家政策大力推動(dòng)，多地出臺(tái)重點(diǎn)項(xiàng)目投資計(jì)劃并開(kāi)展智能網(wǎng)聯(lián)示范道路的建設(shè)，例如浙江投資約707億元建設(shè)首條無(wú)人駕駛智慧高速——杭紹甬高速公路，此外中國(guó)智慧城市項(xiàng)目數(shù)量約占據(jù)全球總數(shù)一半，“新基建”車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)激光雷達(dá)的需求將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。

早期機(jī)械式激光雷達(dá)難以應(yīng)用于乘用車(chē)上，半固態(tài)激光雷達(dá)仍處于車(chē)規(guī)驗(yàn)證中，因此上車(chē)進(jìn)展緩慢。進(jìn)入2022年，半固態(tài)激光雷達(dá)的成熟使其在乘用車(chē)市場(chǎng)逐漸爆發(fā)，隨著主機(jī)廠對(duì)激光雷達(dá)功能開(kāi)發(fā)的深入以及激光雷達(dá)成本的降低，激光雷達(dá)搭載車(chē)型數(shù)量將在短時(shí)間內(nèi)保持較高增速；而Robotaxi也在政府及下游企業(yè)的共同推動(dòng)下持續(xù)開(kāi)城，測(cè)試及運(yùn)營(yíng)車(chē)隊(duì)數(shù)量將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)有望自2022年6.54億元增長(zhǎng)至2029年121.93億元，實(shí)現(xiàn)51.89%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。

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