车载激光雷达：技术路线、市场规模及4大模块国产替代机遇全分析！
车载激光雷达：技术路线、市场规模及4大模块国产替代机遇全分析！
激光雷达作为自动驾驶和高级辅助驾驶的关键传感器，近年来发展迅速。本文将从技术路线、市场规模及产业链国产替代机遇三个方面，全面分析车载激光雷达的发展现状和未来趋势。
激光雷达(Light Detection And Ranging,简称LiDAR)是一种利用激光束来计算物体到目标表面距离的传感器。其通过向目标发射激光束,再接收反射回来的信号，测量激光束往返的时间差，计算出目标物体的距离、速度和位置信息。激光雷达探测具备精度高、抗干扰能力强、测量范围广、测量速度快等优势。
2019 年至今，激光雷达市场发展迅速，在无人驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人、车联网等市场加速应用，行业内公司迎来上市潮。
激光雷达技术路线
按照测距方法,激光雷达可以分为飞行时间 (Time ofFlight,ToF)测距法、基于相干探测的调频连续波 (FrequencyModulated Continuous Wave,FMCW)测距法以及三角测距法。目前市场上，ToF 是车载中长距激光雷达的主流方案，随着 FMCW 激光雷达技术的成熟,未来市场上可能会出现 ToF 和 FMCW激光雷达并存的情况，为自动驾驶技术的发展提供更加全面的解决方案。
根据扫描方式的不同，激光雷达可以分为固态激光雷达、混合固态激光雷达、机械式激光雷达。根据灼识咨询报告,固态(Flash)和合固态(转镜式、MEMS)激光雷达预期在许多应用场景中会逐步取代机械式激光雷达，成为未来的主流。
感知是自动驾驶先决条件，其探测的精度、广度与速度直接影响自动驾驶的行驶安全。智能驾驶感知方案主要分为纯视觉感知和多传感器融合感知2条技术路线。
多传感器融合感知方案中，激光雷达、摄像头、超声波雷达、毫米波雷达等不同传感器的优劣势可进行互补,可显著提升自动驾驶系统的可靠性，有效弥补纯视觉方案的不足。根据禾赛科技数据,截止2023H1,纯视觉方案和融合方案(激光雷达+摄像头)对目标物追踪准确度(AMOTA)上仍有较大差距,二者相差接近20 个百分点(56% VS 75%)。目前激光雷达融合方案已经成为众多车企L3 级及以上自动驾驶的选择。
激光雷达市场规模
自动驾驶汽车渗透率提升推动激光雷达市场规模持续扩大。Frost & Sullivan 数据显示,中国 ADAS 渗透率预计从 2023 年的 6.3%增长到 2030 年的 87.9%:美国 ADAS渗透率有望从2023 年的 4.9%上升到 2030 年的 69.9%。ADAS 和自动驾驶汽车的快速渗透，预计将提升单车激光雷达搭载数量。中国信通院发布的《车载激光雷达技术与应用研究报告》认为,L3、L4 和L5 级别自动驾驶分别需要平均搭载 1颗、2-3 颗和 4-6颗激光雷达。Frost & Sullivan 预计，2026 年全球车用激光雷达市场规模有望达到247亿美元,其中,ADAS(L3以下)预计129亿美元规模,自动驾驶 (L4、L5)预计 118亿美元规模。2030年全球车用激光雷达市场规模有望进一步增长到 872 亿美元,其中 ADAS 649 亿美元,自动驾驶 223 亿美元规模。
2023年激光雷达密集上车,产业化加速。根据佐思汽研调研,国内车企陆续落地多款激光雷达车型,如蔚来ET5、ET7、ES7、ES8、ES6;理想L9、L8 和小鹏P5、G9、G6等;据不完全统计，2023年国内有20 款以上新车型搭载激光雷达上市:2024年后,宝马、奔驰、沃尔沃等外资品牌也将加入到激光雷达上车潮中。激光雷达密集上车带动了其出货量的快速增长。高工智能汽车研究院统计,2023年中国市场乘用车前装激光雷达合计出货57.09 万颗,同比增长 341.19%;2024 年全年交付有望到 150-180万颗，行业正加速成长。
产业链梳理
激光雷达产业链主要包括上游零部件、中游整机制造和下游机器人、自动驾驶汽车等应用。激光雷达整机一般由发射模块、扫描模块、接收模块和控制模块四部分组成。中国信通院预计，发射模块、接收模块、测时模块(TDC/ADC)和控制模块,四大光电系统约占激光雷达整机成本的70%。
整机
整机领域，中国企业在技术水平和全球市占率方面都保持领先。
中国企业激光雷达产品性能处于第一梯队。2020年7月,日本科学技术振兴机构JST下属的 CREST 和日本 OPERA 共同支持的激光雷达测评组发表测评文章，测评中国内激光雷达企业禾赛科技的 Pandar64 及 Pandar40P 在实际测远及目标物点云数目、全距离范围精准度、全距离范围内对不同反射率目标的探测一致性、噪点和丢点控制、反射强度分离度等方面表现突出。HDL-64 探测距离仅至 85m,OS1-64 探测距离仅至 35m,Pandar64 探测距离达 180m;从角分辨率来看，Pandar64 比线数为其两倍的 VLS-128 表现更好。
中国激光雷达企业全球市占率超过七成。当前激光雷达市场竞争力较强的厂商主要集中在中国、美国、欧洲。根据 Yole 数据,2022 年禾赛科技以 47%的市场份额连续两年稳居全球车载激光雷达市占率第一,其在 ADAS 和自动驾驶激光雷达领域均保持了全球领先地位;图达通(Innovusion,现改名为 Seyond)依靠蔚来汽车的持续出货，以 15%的市场份额夺得第二名;法雷奥 (Valeo)、速腾聚创(Robosense)、览沃 (Livox)分别以 13%、9%、5%的市场份额位列三、四、五名。中国激光雷达企业全球市占率合计超过七成。
发射模块
激光发射模块主要包括激光器发射器、光学系统,是激光雷达的核心系统。激光发射器为整个激光雷达提供激光光源。光学系统主要对激光器的输出光束进行准直整形，通过改变光束的发散度、波束宽度和截面积,改善输出光东质量。光学系统一般由准直镜、分束器、扩散片等组成。
激光发射器
VCSEL 占比有望提升,2027 年市场规模预计39 亿美元。按结构分，激光发射器可以分为边发射激光器(EEL)和垂直腔面激光器(VCSEL)及光纤激光器。EEL优势在于输出功率及电光效率较高，缺点是光束质量较差,生产成本相对 VCSEL 较高。VCSEL 优点包括体积小易于集成、易于规模化生产、成本低、可靠性较高等优势,不足之处是输出功率及电光效率较EEL 低。光纤激光器复杂度较高,在激光雷达领域应用占比较小。近年来国内外厂商陆续推出多层级结高功率 VCSEL,大幅提升了光功率密度,高功率 VCSEL开始代替部分传统的 EEL方案。Yole 预计,2033 年,VCSEL 的占比有望从 2023 年的 39%逐步提升到 45%;EEL 则小幅下降到 43%。市场规模方面,2027 年,VCSEL 有望达到39 亿美元，EEL 预计 74亿美元。
905nm 光源预计仍将占主导地位。激光器波长选择主要兼顾性能和对人眼安全性，目前主流的激光雷达主要有905nm 和 1550nm 两种波长。905nm 优势是基于 GaAs材料体系,产业成熟，成本低;缺点是发射功率受到对人眼安全性限制,探测距离较短。1550m 优点是对视网膜更加友好，可以发射更大功率，探测距离可以做到更远;不足是其无法采用常规的硅吸收，而需要更加昂贵的钢砷(InGaAs)材质,成本更高。不过随着 905nm 技术持续升级(禾赛发布了 905nm 的舱内激光雷达 ET25,探测距离为 250 米10%,与 1550nm 相当),1550nm 成本偏高,预计未来 905nm 激光器预计仍将占主导地位。Yole 数据显示，2033 年NIR (0.75-1.lum,主要是 905nm 和 940nm)占比预计从 2023 年的 84%提升到 86%。
海外企业领先激光发射器市场，进口替代潜力大。VSCEL市场参与者主要包括Coherent(高意)、Lumentum、Ams-Osram、Trumpf等,其中 Osram(欧司朗)在汽车应用(如激光雷达或车内传感)市场相对领先。EEL市场领导者主要包括 Coherent(高意)、Lumentum、Ams-Osram、滨松光子、Laser Components 等。国内相关产业链公司包括长光华芯、炬光科技、瑞波光电、纵慧芯光等。
光学系统
国内光学系统产业链具备竞争力。光学系统一般由准直镜、分束器、扩散片等组成。准直镜，激光器发射的光束并不是平行的直线,存在发散角度大、光斑形状不规则等问题,准直镜可以改变光束的发散度、波束宽度和截面积,从而改善输出光束质量。分束器，又称激光分光镜、分光片,Beam Splitter DOE,分束器功能是把一束入射激光均匀地分成N东出射光，出射光的光束直径、发散角和入射激光相同,只是传播方向发生改变。扩散片，又称匀化镜、扩散器或化器 (DF/HM),Homogenizer,其作用是将入射激光转化成任意形状尺寸、强度均匀的光斑。国内光学系统产业链相对成熟,炬光科技、永新光学、蓝特光学、水晶光电、腾景科技、福晶科技等公司均有相关业务布局。
接收模块
激光探测器是将光信号转变为电信号的器件。探测器类型主要有 PIN 型光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管 (APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增二极管(MPPC/SiPM)。PIN,价格低、结构简单,但因为不具备增益(光电探测器将光信号转换为电子信号后,对电子信号的放大能力),探测光的灵敏度较低。APD,由于“雪崩”效应(即光电流成倍地激增),使其具有高的灵敏度,可以探测微弱的光,在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。MPPC/SiPM,是由多个工作在盖革模式的 APD 组成的光子计数型器件。SPAD,是由一个能工作在盖革模式下的 APD构成的光子计数型器件。
探测器从 APD向SIPM、SPAD 演进。SiPM 已经取代 APD成为激光雷达主流方案。光电增益的提升能够降低电路噪声对系统信噪比的影响,SiPM可以比 APD实现更高的能量利用率，使系统探测距离更远。当前,SiPM探测器已经是市场主流产品,如禾赛AT128、速腾聚创MI Plus、图达通 Robin E等。相比 MPPC,SPAD 是一个单像素盖革模式的探测器，探测器尺寸较小，更容易实现集成化和高分辨率。对小型化和高分辨率的追求，加上技术的逐步成熟，使得越来越多的厂商推出 SPAD激光雷达,如禾赛AT512和 FT120、速腾聚创 E1等。
探测器行业主要企业包括国外的 First Sensor、Hamamatsu(滨松)、onsemi(安森美)、Sony(索尼)等;国内的深圳阜时科技有限公司、成都量芯集成科技有限公司、深圳市灵明光子科技有限公司、南京芯视界微电子科技有限公司、奥比中光等。此外禾赛科技、速腾聚创等整机企业也在推进自研相关芯片。
扫描模块
混合固态是主流，Flash 占比有望提升。根据扫描方式的不同，激光雷达可以分为固态激光雷达、混合固态激光雷达、机械式激光雷达。其中,机械激光雷达因为结构复杂、可靠性较差、寿命低于车规要求，当前用于车载领域较少。混合固态(转镜式、MEMS 振镜)较为成熟，是当前和未来车载激光雷达主流方案。固态 Flash 方案(无扫描模块)逐步产业化，在车载领域占比持续提升。OPA方案对材料和工艺的要求都极为苛刻，由于技术难度高，尚未实现产业化。Yole 预计，混合固态激光雷达(主要是转镜式)占比预计从 2023年的68%下降到2033 年的56%;MEMS方案从 2023的 30%下降到 2033 年的7%;固态 Flash方案迎来大发展,从2023 年的 2%,大幅提升到 2033 年的 33%。
国内光学、电机供应链相对成熟。转镜式激光雷达，收发模块保持不动，发射器发射激光照射镜面,电机带动反射镜面围绕圆心不断旋转，使光束反射至空间的一定范围，从而实现扫描。棱镜式激光雷达,包括两个楔形棱镜,激光通过第一个棱镜后发生偏转，通过第二个棱镜后再一次发生偏转,通过控制两面棱镜的相对转速实现激光束的扫描形态。MEMS微振镜方案，在芯片上集成微振镜,通过芯片控制镜面往复运动,将激光管反射到不同的角度完成扫描。国内相关产业链相对成熟,转镜式激光雷达电机厂商包括湘油泵、鸣志电器、江苏雷利等;反射镜厂商,永新光学、宇瞳光学、富兰光学等。MEMS微振镜厂商包括海外ST意法半导体、博世、英飞凌、滨松电子,国内英唐智控、赛微电子、中科院苏州纳米所等。
控制模块
激光雷达控制模块主要功能包括时序控制、波形算法处理、收发扫描等其他功能模块控制、生成点云数据,主要元件包括主控芯片，模拟前端芯片等。
主控芯片
国外厂商FPGA 领先,整机厂商积极自研主控芯片。主控芯片主要功能是控制发射系统发射激光、对接收系统获得的信号进行处理等。主控芯片一般采用 FPGA,激光雷达需要进行大量的信号处理、电机时序控制,采用基于可编程的 FPGA,效率会高很多。FPGA 国外主流的供应商有 Xilinx,Altera(被Intel收购)等。国内主要有紫光国微、复旦微电、成都华微安路科技等。此外，目前整机厂商开启了自研芯片趋势,如图达通 falcon 激光雷达搭载了来自研的主控芯片“杨戳”;禾赛科技2018 年开始就积极研发激光雷达 Soc 芯片,以在未来取代外购的 FPGA 芯片。
模拟前端、模数转换芯片
模拟前端、模数转换芯片的自研化与集成化趋势。模拟前端芯片，主要功能是对探测器输出的电流信号进行放大和转换(电流转电压),主要通过跨阻放大器 (TIA)实现。模数转换芯片，主要功能是将模拟信号转换成数字信号,便于核心处理器进行处理及运行后续的算法，主要通过 ADC 实现。随着信号通路的增加，传统分立器件构建的系统已难以满足指标,越来越多的厂商开始自研相关芯片。禾赛科技已经开发了多通道驱动芯片以及多通道模拟前端芯片。主控芯片目前逐步向企业自研 SoC 方向发展,未来也有望实现 TIA、ADC 等芯片集成到SoC中。