來源： 道合順傳感

編輯：感知芯視界

激光雷達(dá)概覽

（1）發(fā)展歷程

激光雷達(dá)LiDAR（Light Detection And Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，主要構(gòu)成要素包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件主要有激光發(fā)射器、掃描器及光學(xué)組件、光電探測(cè)器及接收IC，以及位置和導(dǎo)航器件等，可提供高分辨率的幾何圖像、距離圖像、速度圖像。

（2）工作原理

激光雷達(dá)的物理原理本質(zhì)上就是“距離=速度*時(shí)間”，通過測(cè)量激光信號(hào)的信號(hào)差和相位差來確定距離。相較于發(fā)射電磁波的毫米波雷達(dá)和發(fā)射機(jī)械波的超聲波雷達(dá)，激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射波長(zhǎng)約為900-1,500nm的激光射線，利用多普勒成像技術(shù)，創(chuàng)建出目標(biāo)清晰的3D圖像，是其它傳感器無法比擬的感知能力。

激光雷達(dá)通過發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出到目標(biāo)對(duì)象的相對(duì)距離，并利用此過程中收集到的目標(biāo)對(duì)象表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速得到出被測(cè)目標(biāo)的三維模型以及線、面、體等各種相關(guān)數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。由于光速非?？欤w行時(shí)間可能非常短，因此要求測(cè)量設(shè)備具備非常高的精度。從效果上來講，激光雷達(dá)線數(shù)越多，測(cè)量精度越高，安全性就越高。

激光雷達(dá)工作原理

相比于可見光、紅外線等傳統(tǒng)被動(dòng)成像技術(shù)，激光雷達(dá)技術(shù)具有如下顯著特點(diǎn)：一方面，它顛覆傳統(tǒng)的二維投影成像模式，可采集目標(biāo)表面深度信息，得到目標(biāo)相對(duì)完整的空間信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理重構(gòu)目標(biāo)三維表面，獲得更能反映目標(biāo)幾何外形的三維圖形，同時(shí)還能獲取目標(biāo)表面反射特性、運(yùn)動(dòng)速度等豐富的特征信息，為目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤等數(shù)據(jù)處理提供充分的信息支持、降低算法難度；另一方面，主動(dòng)激光技術(shù)的應(yīng)用，使得其具有測(cè)量分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)、抗隱身能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)和全天候工作的特點(diǎn)。

激光雷達(dá)主要性能參數(shù)

激光雷達(dá)核心構(gòu)成包括激光發(fā)射系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)（光束操縱元件）、傳輸與接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)。其中掃描系統(tǒng)、激光發(fā)射器和光電探測(cè)器均存在不同技術(shù)路線，進(jìn)而導(dǎo)致激光雷達(dá)整機(jī)技術(shù)路線繁多。目前，激光雷達(dá)四大系統(tǒng)包括激光器、光束控制器、FPGA芯片在內(nèi)的核心元件基本被國外大廠壟斷。

激光雷達(dá)分類方式多樣，根據(jù)測(cè)距原理、掃描方式、激光發(fā)射、激光接收等環(huán)節(jié)所采取的方案不同，均可對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行分類。其中又以測(cè)距原理和掃描方式的分類最為常見。按掃描方式正成為車載激光雷達(dá)廠商分類定位的主要依據(jù)。究其原因，在于掃描技術(shù)直接決定了激光雷達(dá)的掃描頻率、掃描范圍、采集數(shù)據(jù)量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，與最終探測(cè)成像質(zhì)量息息相關(guān)。此外，掃描技術(shù)的演變還是產(chǎn)品邁向小型化、高性能、低成本的重要一環(huán)，是車載激光雷達(dá)能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)內(nèi)部有無運(yùn)動(dòng)器件，激光雷達(dá)可分為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式、混合固態(tài)式以及純固態(tài)式三大類別。

當(dāng)前業(yè)界并無終極解決方案?；谔綔y(cè)距離、視場(chǎng)角、信噪比、體積、穩(wěn)定性、成本控制、技術(shù)成熟度等多維度，對(duì)于不同測(cè)距原理、掃描方式下方案的整理如下表所示，可見不同方案均有各自優(yōu)劣，主機(jī)廠在當(dāng)前階段需在不同考量維度中進(jìn)行取舍。

激光雷達(dá)主流分類方式及優(yōu)劣性

產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈上游為激光器、光源、光學(xué)部件、振鏡、模擬芯片、FPGA芯片等；產(chǎn)業(yè)鏈中游為激光雷達(dá)硬件廠商；下游產(chǎn)業(yè)鏈按照應(yīng)用領(lǐng)域主要分為自動(dòng)駕駛、高級(jí)輔助駕駛、服務(wù)機(jī)器人和車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。

整體而言，激光雷達(dá)全產(chǎn)業(yè)鏈表現(xiàn)出發(fā)展速度快、科技水平高、創(chuàng)新能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣闊的突出特點(diǎn)。從國外產(chǎn)業(yè)鏈與國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈比較的角度而言，國外激光雷達(dá)上游企業(yè)由于起步更早，積累更為深厚，尤其在底層光電器件以及芯片領(lǐng)域擁有一定先發(fā)優(yōu)勢(shì)。國外和本土激光雷達(dá)下游企業(yè)在產(chǎn)品性能和商業(yè)化進(jìn)度方面不相上下，國內(nèi)上游供應(yīng)商也在近幾年發(fā)展迅速，有望實(shí)現(xiàn)與海外上游企業(yè)逐步持平。

（1）上游供應(yīng)商

激光雷達(dá)行業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括激光發(fā)射器、光電探測(cè)器、FPGA芯片、模擬芯片供應(yīng)商，以及光學(xué)部件生產(chǎn)和加工商。

激光雷達(dá)上游供應(yīng)商

①激光發(fā)射器

激光發(fā)射器和光電探測(cè)器是激光雷達(dá)的重要部件，激光發(fā)射器和探測(cè)器的性能、成本、可靠性與激光雷達(dá)產(chǎn)品的性能、成本、可靠性密切相關(guān)。而且激光雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)激光發(fā)射器和探測(cè)器的規(guī)格提出客制化的需求，與上游供應(yīng)商深入合作定制激光發(fā)射器和探測(cè)器，有助于提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

按照增益介質(zhì)的不同，激光器可以分為氣體激光器、固態(tài)激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器（激光二極管）和液體激光器五大類。EEL與VCSEL均屬于半導(dǎo)體激光器，光纖激光器主要用半導(dǎo)體激光器做泵浦源，這三種是目前比較主流的激光器產(chǎn)品。

VCSEL與EEL加工過程對(duì)比

EEL具有功率密度高的性能優(yōu)勢(shì)，但其發(fā)光面位于半導(dǎo)體晶圓的側(cè)面，使用過程中需要進(jìn)行切割、翻轉(zhuǎn)、鍍膜、再切割的工藝步驟，極其依賴產(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。此外EEL只有切割晶圓后才能完全產(chǎn)生激光，在生產(chǎn)過程中無法進(jìn)行測(cè)試。VCSEL的發(fā)光面與半導(dǎo)體晶圓平行，具有面上發(fā)光的特性，發(fā)射光束窄且圓，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(dǎo)體加工設(shè)備保障，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進(jìn)行整合，提升光束質(zhì)量。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(zhǎng)距激光雷達(dá)提供了可能。

行業(yè)內(nèi)主要的激光發(fā)射器制造企業(yè)包括國外的OSRAM（歐司朗）、AMS（艾邁斯半導(dǎo)體）、Lumentum（魯門特姆）等；國內(nèi)的深圳瑞波光電子有限公司、常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司等。

國外供應(yīng)商在激光發(fā)射器和探測(cè)器行業(yè)耕耘較久，產(chǎn)品的成熟度和可靠性上有更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)，客戶群體也更為廣泛。國內(nèi)供應(yīng)商近些年發(fā)展迅速，產(chǎn)品性能已經(jīng)基本接近國外供應(yīng)鏈水平，并已經(jīng)有通過車規(guī)認(rèn)證（AEC-Q102）的國產(chǎn)激光發(fā)射器和探測(cè)器出現(xiàn)，元器件的車規(guī)化是車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，國內(nèi)供應(yīng)商能夠滿足這一需求。相比國外供應(yīng)商，國內(nèi)供應(yīng)商在產(chǎn)品的定制化上有較大的靈活性，價(jià)格也有一定優(yōu)勢(shì)。

②光電探測(cè)器

PD（光電二極管）成本低，是激光雷達(dá)探測(cè)器的常用選擇，缺點(diǎn)是靈敏度低，僅適合短距離探測(cè)，對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)需要使用高增益的APD （雪崩二極管）。APD又分為線性工作模式和蓋格工作模式，蓋格工作模式增益最高，只輸出1或0的電平信號(hào)，靈敏度很高，稱為SPAD（單光子雪崩二極管）。SPAD可以單點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，也可以組成陣列（為表區(qū)分，本報(bào)告以SPPC代指SPAD陣列），SPPC中的各個(gè)SPAD獨(dú)立工作。

SiPM（Silicon Photomultiplier，另稱MPPC）是另一種形式的SPAD陣列，由多個(gè)獨(dú)立的SPAD傳感器并聯(lián)組成，輸出的信號(hào)會(huì)有幅度級(jí)別的區(qū)分。安森美資料顯示，目前激光雷達(dá)市場(chǎng)上，PD和APD的使用率存在不同程度的下降，而SPAD、SPPC和SiPM的使用率在持續(xù)提升。盡管SPAD的靈敏度與轉(zhuǎn)換效率更高，但它受制于高成本和低量產(chǎn)一致性，因此目前APD仍為主流。

③激光雷達(dá)芯片

I.FPGA芯片

FPGA芯片通常被用作激光雷達(dá)的主控芯片，國外主流的供應(yīng)商有賽靈思、英特爾等。國內(nèi)主要的供應(yīng)商有紫光國芯股份有限公司、西安智多晶微電子有限公司等。國外供應(yīng)商的產(chǎn)品性能相比國內(nèi)供應(yīng)商大幅領(lǐng)先，但國內(nèi)產(chǎn)品的邏輯資源規(guī)模和高速接口性能，也能夠滿足激光雷達(dá)的需求。

不過FPGA不是激光雷達(dá)主控芯片的唯一選擇，也可以選用高性能單片機(jī)（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理單元（Digital Signal Processor，DSP）代替。MCU的國際主流供應(yīng)商有瑞薩電子、英飛凌等，DSP的主流供應(yīng)商有TI（德州儀器）、ADI（亞德諾半導(dǎo)體）等。

II.模擬芯片

模擬芯片用于搭建激光雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)光控制、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，以及電信號(hào)實(shí)時(shí)處理等關(guān)鍵子系統(tǒng)。國際范圍內(nèi)模擬芯片供應(yīng)商主要有TI（德州儀器），ADI（亞德諾半導(dǎo)體）等。國內(nèi)模擬芯片的供應(yīng)商主要包括矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)有限公司、圣邦微電子（北京）股份有限公司等。國外供應(yīng)商在該領(lǐng)域積累已久，技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)能充足、成熟度高，是行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。國內(nèi)供應(yīng)商相比國外起步較晚，從產(chǎn)品豐富程度到技術(shù)水平還普遍存在著一定差距，尤其車規(guī)類產(chǎn)品差距會(huì)更大。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

④光學(xué)部件

光學(xué)部件方面，激光雷達(dá)公司一般為自主研發(fā)設(shè)計(jì)，然后選擇行業(yè)內(nèi)的加工公司完成生產(chǎn)和加工工序。光學(xué)部件國內(nèi)供應(yīng)鏈的技術(shù)水平已經(jīng)完全達(dá)到或超越國外供應(yīng)鏈的水準(zhǔn)，且有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)可以完全替代國外供應(yīng)鏈和滿足產(chǎn)品加工的需求。

芯片商業(yè)應(yīng)用進(jìn)展

（1）車載領(lǐng)域

主機(jī)廠基于安全第一、產(chǎn)品量產(chǎn)等理念，技術(shù)路線較為保守，大多通過ADAS功能的拓展和完善，漸進(jìn)式地實(shí)現(xiàn)智能駕駛。ADAS主要指乘用車通過搭載激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高級(jí)輔助駕駛功能，如自適應(yīng)巡航、自動(dòng)跟車等。與智能駕駛的激光雷達(dá)相比，ADAS所應(yīng)用的激光雷達(dá)對(duì)車規(guī)化的批量生產(chǎn)能力、可靠性有更高的要求，對(duì)成本也更敏感。

科技企業(yè)（Waymo、Momenta等）商業(yè)模式以售賣智能駕駛解決方案為主，且由于科技創(chuàng)新企業(yè)人才儲(chǔ)備完善、算法實(shí)力強(qiáng)，技術(shù)路線相對(duì)激進(jìn)，直接著手于L4/L5的智能駕駛技術(shù)研發(fā)。而激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)L4/L5級(jí)別智能駕駛技術(shù)的核心傳感器，國內(nèi)外眾多智能駕駛科技公司均采用激光雷達(dá)輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為主要決策依據(jù)。360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)作為主傳感器，一般被放在Robotaxi或Robotruck的車頂，且一臺(tái)車上通常會(huì)配置多臺(tái)激光雷達(dá)，或覆蓋車身兩側(cè)或長(zhǎng)距短距兼顧，用以滿足復(fù)雜道路場(chǎng)景的探測(cè)需求。以嬴徹科技為例，其與東風(fēng)商用車聯(lián)合開發(fā)的L3級(jí)Robotruck單車搭載3顆激光雷達(dá)，其中主雷達(dá)使用一顆RoboSense的MEMS激光雷達(dá)，兩顆角雷達(dá)則使用一徑科技的MEMS產(chǎn)品。

①主機(jī)廠量產(chǎn)車型

目前主機(jī)廠與激光雷達(dá)廠商均著力于推動(dòng)激光雷達(dá)上車量產(chǎn)，2021年以來激光雷達(dá)前裝量產(chǎn)加速，上海車展、廣州車展期間就有多款車型宣布搭載激光雷達(dá)，激光雷達(dá)的關(guān)鍵性和必要性得到進(jìn)一步確認(rèn)。激光雷達(dá)量產(chǎn)車型小鵬P5、北汽極狐阿爾法S、魏派WEY摩卡接連推出，國內(nèi)OEM廠商激光雷達(dá)率先上車。2021年4月14日，搭載大疆Livox激光雷達(dá)的車型小鵬P5發(fā)布；2021年4月18日，搭載華為激光雷達(dá)的北汽極狐阿爾法S發(fā)布。大部分預(yù)計(jì)搭載激光雷達(dá)的車企預(yù)計(jì)將在2021-2022年量產(chǎn)。

目前車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)的發(fā)展總體方向?yàn)榈统杀?、高性能、高集成度、固態(tài)化。各廠商根據(jù)自身技術(shù)儲(chǔ)備選擇了不同的技術(shù)方案以求達(dá)到OEM廠商的需求。激光雷達(dá)廠商通過對(duì)激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組合形成特色方案。

由下表可見，國內(nèi)外主機(jī)廠、造車新勢(shì)力們?cè)?022年均有激光雷達(dá)上車計(jì)劃，既有新出車型也有原有車型改款，單車搭載數(shù)量在1-5顆之間，其中以1顆（主雷達(dá)）和3顆（1主雷達(dá)+2角雷達(dá)）為主流方案。硬件合作方有11家之多，由此可見頭部雷達(dá)廠商并無明顯競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)仍處于相對(duì)初期的開放競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)份額階段。

除激光雷達(dá)上車計(jì)劃外，國內(nèi)外主機(jī)廠近年來也紛紛布局入股激光雷達(dá)廠商，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，主機(jī)廠投資事件整理如下：

主機(jī)廠投資激光雷達(dá)案例

②跨越式陣營

跨越式陣營以自動(dòng)駕駛創(chuàng)業(yè)科技公司為主，由于發(fā)展初期覆蓋場(chǎng)景不同，區(qū)別于傳統(tǒng)主機(jī)廠和新勢(shì)力由ADAS逐漸過渡至完全自動(dòng)駕駛的漸進(jìn)式發(fā)展路線。該陣營普遍采用“一步到位”策略，直接開發(fā)激光雷達(dá)作為核心傳感器的L4智能駕駛技術(shù)。應(yīng)用場(chǎng)景則相對(duì)保守，以廠區(qū)、港口、礦區(qū)、機(jī)場(chǎng)、高速干線等封閉或半封閉場(chǎng)景為主。

不同于乘用車主機(jī)廠選用激光雷達(dá)對(duì)是否通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證有嚴(yán)格要求，自動(dòng)駕駛方案商更注重產(chǎn)品性能以及性價(jià)比。此外，考慮到響應(yīng)速度以及客戶定制化開發(fā)需求，國內(nèi)自動(dòng)駕駛公司更加偏好使用本土激光雷達(dá)硬件供應(yīng)商的產(chǎn)品。

（2）智慧交通

除了智能駕駛領(lǐng)域，激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，包括以汽車主機(jī)廠、Tier 1為代表的前裝高級(jí)輔助駕駛，以智能服務(wù)機(jī)器人為代表的避障導(dǎo)航系統(tǒng)，還有隨著5G技術(shù)逐漸普及而產(chǎn)生的智能交通車路協(xié)同應(yīng)用，都為激光雷達(dá)帶來了更廣闊的市場(chǎng)。

路端激光雷達(dá)有兩個(gè)主要作用，一是實(shí)現(xiàn)高精地圖的采集，二是對(duì)路面交通進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。路端交通領(lǐng)域主要由政府相關(guān)部門主導(dǎo)，對(duì)車規(guī)級(jí)的集成要求較低，但對(duì)算法要求很高，激光雷達(dá)作為路端感知器，需要對(duì)道路使用者進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知，目前以機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)為主要應(yīng)用產(chǎn)品。應(yīng)用場(chǎng)景主要是高速公路和十字路口。

①智慧高速市場(chǎng)

我國目前存量高速公路里程達(dá)16.1萬公里，假設(shè)每年新建成高速公路里程0.75萬公里不變，按照單臺(tái)激光雷達(dá)設(shè)備覆蓋200米計(jì)算，高速場(chǎng)景每公里需要4個(gè)激光雷達(dá)，預(yù)計(jì)在2025年滲透率能達(dá)到10%，未來5年市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)約37億元。

②城市路口

我國目前城市路口約30萬個(gè)，假設(shè)按對(duì)角交叉布置，每個(gè)路口需布置2個(gè)激光雷達(dá)，在2025年市場(chǎng)滲透率達(dá)到10%的情況下，未來5年市場(chǎng)空間合計(jì)約23億元。

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審核編輯 黃宇