一、汽車激光雷達介紹

（一）激光雷達概念

激光雷達（Light Detection and Ranging, LiDAR）是一種以激光作為輻射源的探測技術和系統(tǒng)，能夠通過激光器和探測器組成的收發(fā)陣列，發(fā)射激光光束并接收回波信號，對所處環(huán)境進行實時感知；結合測量周圍物體的位置、距離、角度等相關數據，直接獲取被測物體表面三維坐標及精確距離、速度信息，實現空間三維場景重建。此外，通過結合預先采集的高精地圖，可實現高精度定位與導航。

Ouster Flash 激光雷達示意圖

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

根據觀研報告網發(fā)布的《中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）》顯示，激光雷達通過激光探測及點云技術實現對被測物體的主動精確測量。點云測繪技術是指通過大量離散點集合來表示空間內物體坐標和分布的一種技術，點云通常包含有位置、反射率、時間戳等信息。激光雷達發(fā)射端在激勵源的作用下，向被測物體發(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器接收，經由信號調理電路傳輸到信息處理系統(tǒng)進行處理計算，實現測距功能。同時，激光雷達在較短時間內對被測物體不斷掃描所獲的三維坐標，以掃描點形式反映分布在三維空間中形成點云，進而通過數據建模和成像處理，能夠得到精確的三維立體圖像。

激光雷達測距原理示意圖

數據來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

（二）激光雷達對比

當前，應用于智能汽車周圍環(huán)境感知的主流傳感器包括攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達和激光雷達。

攝像頭是一種畫面?zhèn)鞲衅?，主要功能是拍攝、識別目標物體，提供視覺信息。攝像頭能夠通過拍攝獲取車輛周圍的實景畫面，提取出形狀、顏色等信息，通過深度學習算法對車輛、行人、標識等進行識別。攝像頭具有較高的角度分辨率，但受光照影響較大，目標識別與測距準確度方面對算法有較強依賴。

毫米波雷達采用發(fā)射毫米波段電磁波的方式，根據發(fā)射頻率與接收頻率之差，對相對距離、速度、方向等進行測量。毫米波雷達就有同時測距和測速的功能，有效探測距離可達200米，但是單顆角度分辨能力較弱，對非金屬材料的探測靈敏度較弱，導致在人車混雜場景中對行人探測效果不佳。

超聲波雷達采用發(fā)射聲波脈沖的方式，根據發(fā)射波和回波之間的時間差，對距離進行測量。超聲波經由障礙物反射，通過接收、放大、轉換數字信號等步驟完成測距。超聲波雷達成本相對較低，但其有效探測距離通常小于5米，無法對中遠距離物體進行測量。

相較于其他傳感器，激光雷達具有測距遠、精度高、角度分辨率高、受環(huán)境光照影響小等特點，同時可直接獲得被測物體的位置信息，無需依賴深度學習算法，能夠顯著提升自動駕駛系統(tǒng)的可靠性。

不同傳感器優(yōu)缺點對比

數據來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

二、汽車激光雷達技術發(fā)展

（一）核心模塊

激光雷達核心模塊包括發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊（機械式和半固態(tài)式）和主控模塊。其中，發(fā)射模塊包括激光器及驅動、發(fā)射光學系統(tǒng)，用于發(fā)射探測激光束；接收模塊包括接收光學系統(tǒng)、探測器及模擬前端，用于探測反射信號并進行放大；掃描模塊包括掃描器及驅動，主要用于機械式和半固態(tài)式激光雷達中，實現發(fā)射光束的偏轉掃描；主控模塊涉及時序控制、波形算法處理、其他功能模塊控制、生成點云數據等功能。

激光雷達核心模塊示意圖

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

（二）激光光源

發(fā)射模塊中，激光光源是核心器件之一，半導體激光器是常用光源。半導體激光器使用半導體材料作為工作物質，采用半導體工藝實現激光輸出。半導體激光器根據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，在芯片的兩側鍍光學膜形成諧振腔，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

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

激光光源選擇需綜合考慮激光雷達的技術方案、實際應用環(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）探測器。VCSEL激光器具有低閾值電流、穩(wěn)定單波長工作、可調頻調制、波長漂移小等優(yōu)點，生長結構更易于集成為芯片級二維陣列，制造成本低，適合大規(guī)模生產，適用于SPAD（單光子雪崩二極管）探測器陣列。

不同激光器性能及參數對比

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

常見的車載激光雷達波長為905nm或1550nm，以905nm較為主流。據Yole數據，在2021年汽車與工業(yè)領域激光雷達市場份額中，905nm占69%，1550nm占14%。905nm光源優(yōu)勢在于接收端可以使用硅基探測器，具有低成本、工藝成熟等優(yōu)點；但其在10%反射率下最大探測距離多為150-200米，已接近人眼安全限制功率下的極限探測距離。而1550nm光源相較于人眼更加安全，此波長下可以使用更大的光功率來實現更遠的探測距離，但成本上相對更加昂貴。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

短期內大多數激光雷達廠商選擇使用905nm波長的EEL激光器結合ToF探測技術，因為其具有較為現成的可用性，可為車載激光雷達大規(guī)模商用提供較高性價比，同時也有部分廠商在近距離Flash激光雷達中使用VCSEL激光器。未來，FMCW探測技術不斷成熟將帶動1550nm光源、固態(tài)式激光雷達推進將帶動VCSEL激光器成為實現高性能激光雷達量產解決方案的選擇。

采用不同激光光源的激光雷達廠商

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

（三）掃描技術

根據技術架構的差異及掃描方式的不同，激光雷達主要分為機械式激光雷達、半固態(tài)式激光雷達以及固態(tài)式激光雷達。

機械式激光雷達又稱機械旋轉式激光雷達，通過電機帶動收發(fā)模塊、掃描模塊同時進行整體旋轉，實現對空間視場360°范圍的覆蓋掃描。由于機械式激光雷達帶有機械式轉臺，因此存在物理磨損、壽命較短、體積較大等缺點。

半固態(tài)式激光雷達的收發(fā)模塊靜止，僅掃描模塊發(fā)生機械運動，掃描模塊通過轉鏡、棱鏡或MEMS（微振鏡）等結構的運動，完成發(fā)射光束的空間偏轉，從而實現掃描和探測。由于半固態(tài)式激光雷達收發(fā)模塊與掃描模塊解耦，體積更為緊湊，適用于部分視場角（如前向）的探測。轉鏡、棱鏡方案中，電機帶動對應光學部件進行運動，從而將光束反射至空間一定范圍中實現掃描。MEMS方案中，反射鏡在內的機械部件利用半導體工藝全部集成在單個芯片上，通過驅動信號來控制反射鏡的擺動或偏移，實現對發(fā)射光束的控制，因此具有體積小、頻率高、振幅小、可靠性強等優(yōu)點。

固態(tài)式激光雷達內部無任何機械運動模塊，不含機械掃描器件，體積最為緊湊，適用于部分視場角（如前向）的探測。固態(tài)式激光雷達包括Flash方案、OPA（Optical Phase Array）方案等。Flash方案，即泛光面陣式方案，通過短時間內直接發(fā)射出一大片激光覆蓋探測區(qū)域，再利用高靈敏度探測器接收反射光，記錄每個像素點的飛行時間并進行成像，從而完成測距及對環(huán)境信息的采集。OPA方案，即光學相控陣方案，由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過調節(jié)陣列移相器中每個移相器的相位，利用相干原理，在特定方向上產生互相加強的干涉光束，從而實現發(fā)射光的偏轉及一定空間范圍內的掃描。

據Yole數據，在2021年汽車與工業(yè)領域激光雷達市場份額中，機械式、MEMS方案、Flash方案占比分別為66%、17%、10%。雖然目前市場份額中仍以機械式為主，但其體積、壽命等缺點難以滿足車規(guī)要求。MEMS方案等半固態(tài)式激光雷達產品成熟度較高、易過車規(guī)，逐漸成為車企的主流選擇。Flash方案具有體積小、精度高、速度快等優(yōu)點，是目前固態(tài)式激光雷達的主流方案。OPA方案由于存在旁瓣效應，加工精度要求高，制造工藝難度大，進展相對緩慢；但OPA方案結合FMCW測距法具有可直接測量待測物體速度信息、抗干擾能力強、具備大規(guī)模生產潛力等優(yōu)勢，是未來重要的發(fā)展方向。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）

（四）接收模塊

根據選用光電探測器的不同，激光雷達接收模塊主要包括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，無光照時存在微弱暗電流，有光照時迅速增大為光電流，將光信號轉化為電信號。PD、APD、SPAD均是基于PN結的光電二極管，工作在不同的電壓區(qū)間。PIN是在PN結的P區(qū)與N區(qū)之間摻入濃度很低的I型半導體，吸收光輻射而產生光電流的一種光電探測器。PIN施加較小的反向偏置電壓后，耗盡區(qū)在本征層中擴展，穩(wěn)定后無移動的電荷載流子。當光子進入I區(qū)被吸收后產生電子-空穴對，在耗盡區(qū)勢壘電場作用下電荷載流子沿相反方向移動，從而產生電流。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。通過施加反向電壓產生內部增益，當光子進入后，二極管將產生較大電流，因此可以測量低水平的光信號，同時具備較好的線性。相較于PIN，APD具有更高信噪比、快速相應、低暗電流和高靈敏度的特點。SPAD工作在蓋革模式（Geiger Mode），偏置電壓高于擊穿電壓。即使僅一個光子進入后，二極管持續(xù)處于反向擊穿狀態(tài)，產生特定于元件的飽和輸出電流，表現出無窮大的增益，因此具備單光子探測能力。

SiPM是由多個工作在蓋革模式下的SPAD傳感器陣列組成的新型光電探測器件。根據SiPM的電路結構圖顯示，其作為一個像素的基本單元是蓋革模式下的SPAD與淬滅電阻的組合，通過排列和連接進而形成大量的二維陣列。與只能檢測單個光子的SPAD不同，SiPM通過基本單元克服單光子限制，具有在高動態(tài)范圍內的多光子檢測能力。

APD是最早用于車載激光雷達的光電探測器之一，已被大多數廠商采用。SPAD具有靈敏度高、噪聲低、時間分辨率高等優(yōu)勢，并且能夠進行單片集成或封裝級集成，實現片上系統(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、高檢測效率等優(yōu)點，具備高性能光子計數能力，能夠完成從單個光子到數千個光子的檢測應用，隨著未來工藝水平的提高，將會成為重要的發(fā)展方向。

（五）未來趨勢

固態(tài)VCSEL+SiPM是未來激光雷達的發(fā)展趨勢。目前激光雷達各技術路徑尚未收斂，各家廠商均在探索不同的發(fā)展方向。長期來看，固態(tài)激光雷達不存在任何運動裝置，性能穩(wěn)定、可靠性強，因此激光雷達未來將會朝著小型化、高性能、低成本的純固態(tài)方案演進。隨著半導體工藝在激光雷達模塊中的不斷應用，未來VCSEL與SPAD/SiPM等光電器件的成熟與配合將不斷促進激光雷達收發(fā)模塊向陣列化、集成化發(fā)展。

三、汽車激光雷達市場規(guī)模預測

下游行業(yè)的發(fā)展，將帶動國內激光雷達市場的發(fā)展。從無人駕駛領域來看，據相關研究報告顯示，中國將是全球最大的自動駕駛市場，到2030年中國自動駕駛乘用車數量將達到800萬輛，自動駕駛將占到乘客總里程（Passenger Kilo Meters Travelled，PKMT）的約13%，基于自動駕駛的出行服務訂單金額將達2,600億美元。國內企業(yè)如百度、滴滴、小馬智行、文遠知行等已在多個城市開展無人駕駛出租車業(yè)務的試運營，預計商業(yè)化應用后對激光雷達的需求將進一步增長；從高級輔助駕駛領域來看，中國是全球最大的新車銷售市場，2020年11月發(fā)布的《智能網聯汽車技術路線圖（2.0版）》明確指出到2030年我國L2和L3級滲透率要超過70%，這將對激光雷達產生巨大的需求；從服務型機器人領域來看，受無人物流、無人清潔、無人作業(yè)等需求的推動，中國市場對于服務型機器人及其搭載的激光雷達同樣擁有巨大的潛力；從車聯網領域來看，當前“新基建”計劃總投資額高達34萬億元，其中“5G+車聯網”協(xié)同發(fā)展受到國家政策大力推動，多地出臺重點項目投資計劃并開展智能網聯示范道路的建設，例如浙江投資約707億元建設首條無人駕駛智慧高速——杭紹甬高速公路，此外中國智慧城市項目數量約占據全球總數一半，“新基建”車聯網的發(fā)展對激光雷達的需求將保持穩(wěn)定增長。

早期機械式激光雷達難以應用于乘用車上，半固態(tài)激光雷達仍處于車規(guī)驗證中，因此上車進展緩慢。進入2022年，半固態(tài)激光雷達的成熟使其在乘用車市場逐漸爆發(fā)，隨著主機廠對激光雷達功能開發(fā)的深入以及激光雷達成本的降低，激光雷達搭載車型數量將在短時間內保持較高增速；而Robotaxi也在政府及下游企業(yè)的共同推動下持續(xù)開城，測試及運營車隊數量將保持穩(wěn)定增長。車載激光雷達市場有望自2022年6.54億元增長至2029年121.93億元，實現51.89%的年復合增長率。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(yè)發(fā)展現狀研究與未來投資預測報告（2022-2029年）