（報告出品方/作者：中信證券，丁奇、楊澤原）
創(chuàng)新之處
1、直觀展示了激光雷達(dá)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。投資人對各家激光雷達(dá)的掃描方式、激光器、 以及其它核心零部件缺乏系統(tǒng)、直觀的認(rèn)知，為此我們拆解了五款激光雷達(dá)，包含鐳神智 能 C16（機(jī)械式）、鐳神智能 CH32（轉(zhuǎn)鏡式，主要用于路側(cè)和物流車）以及三款車規(guī)級產(chǎn) 品，即圖達(dá)通 falcon（轉(zhuǎn)鏡+振鏡二維掃描，搭載在蔚來 ET7、ET5、ES7 上）、速騰聚創(chuàng) M1（MEMS，搭載在小鵬 G9、智己 L7、長城 Wey 等一系列車型上）、大疆覽沃 HAP（雙 楔形棱鏡，搭載在小鵬 P5 上）。對于無法用肉眼看清楚的激光發(fā)射芯片、APD 接收芯片、 微透鏡、MEMS 鏡片等結(jié)構(gòu)我們采用了高倍電子顯微鏡放大，以期讓投資人有更直觀、更 清晰的認(rèn)知。
2、深入解答了投資人的多個疑問。 a) 集中度問題：針對投資人擔(dān)心激光雷達(dá)市場參與者眾多，行業(yè)集中度會比較分散， 我們在第三章通過和攝像頭、毫米波雷達(dá)的對比，分析了激光雷達(dá)的車規(guī)難度，認(rèn)為激光 雷達(dá)壁壘高于另外幾類傳感器，預(yù)計將有較高的集中度，國內(nèi) CR5 的穩(wěn)態(tài)集中度可能在 80%以上。 b) 毛利率問題：針對投資人關(guān)心的激光雷達(dá)毛利率問題，我們復(fù)盤了過去三年國內(nèi) 主要汽車零部件的毛利率、凈利率區(qū)間，以及海外功率芯片、大算力芯片的毛利率區(qū)間，結(jié)合我們預(yù)計激光雷達(dá)的車規(guī)、算法和整機(jī)耦合、頭部廠商會進(jìn)行垂直一體化 的觀點，給出激光雷達(dá)在完成不同價值量工作時可能對應(yīng)的毛利率。 c) 供應(yīng)鏈投資問題：正因為我們認(rèn)為激光雷達(dá)整機(jī)將有較高的集中度，我們提出激光 雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈的投資應(yīng)該圍繞頭部激光雷達(dá)公司的供應(yīng)鏈展開，而不是圍繞什么公司做了什 么產(chǎn)品展開。由于激光雷達(dá)目前處于發(fā)展早期，供應(yīng)鏈的變化具有很大的不確定性，尋找 頭部激光雷達(dá)公司供應(yīng)鏈的變化或?qū)⒊蔀槲磥韼啄昙す饫走_(dá)投資的重點。
d) EEL 和 VCSEL 格局問題，TEC 是否需要應(yīng)用問題：針對投資人不理解為什么歐 司朗在 905nm 的 EEL 光源方面有極高的市占率，后續(xù)發(fā)展趨勢會怎樣，以及激光雷達(dá)后 續(xù)是否需要 TEC 進(jìn)行降溫，我們在第四章第一節(jié)指出，根據(jù)歐司朗的專利《WO 2021/214174 Al》，其在 905nm EEL 低溫漂光芯片的專利極難繞過，預(yù)計很難有廠商能夠 顛覆歐司朗在 EEL 上的地位。隨著各激光雷達(dá)廠商在光源側(cè)紛紛開始選擇 VCSEL 光源（比 如禾賽科技、華為），我們判斷國內(nèi) VCSEL 廠商長光華芯、縱慧光芯將迎來發(fā)展良機(jī)。我 們同時指出，由于 EEL 的溫漂問題已被歐司朗解決，VCSEL 芯片又天然具有低溫漂的特 性，TEC 后續(xù)在激光雷達(dá)上將難有用武之地。 e) 接收端問題：由于當(dāng)前二級市場沒有 APD、SiPM、SPAD 標(biāo)的，接收端的研究長 期被忽視。實際上，當(dāng)前 905nm 都開始逐步采用 SiPM、SPAD，相關(guān)產(chǎn)品有較高的技術(shù) 壁壘，目前激光雷達(dá)基本采用的是索尼、濱松等海外產(chǎn)品。隨著國內(nèi)激光雷達(dá)的發(fā)展，接 收端相關(guān)公司預(yù)計將迎來投資機(jī)遇。
激光雷達(dá)：遠(yuǎn)期想象空間帶來高估值，明年有望放量 迎來投資時間窗
價值辨析：激光雷達(dá)是 L4 收斂 Corner Case 的關(guān)鍵手段
激光雷達(dá)領(lǐng)域投資第一個遇到的挑戰(zhàn)就是特斯拉為什么不用激光雷達(dá)？當(dāng)前全球的 自動駕駛（包括特斯拉）應(yīng)當(dāng)說都還處于 L2+的水平，遇到無法處理的 Corner Case，還 是交給人來解決。到了 L4 之后，不再有人接管的選項就意味著 L4 系統(tǒng)處理 Corner Case 的能力要大大的提升。眾所周知，對于自動駕駛或者輔助駕駛算法而言，難點首先在感知， 多數(shù)時候搭載 ADAS 算法的車出現(xiàn)安全事故，主要原因都是對于相關(guān)目標(biāo)物體沒有有效識 別。那么后續(xù)什么零部件對于提升 ADAS 算法對不常見物體的感知最為有效，能夠大幅減 少 Corner Case 對于安全的影響呢？我們認(rèn)為安裝激光雷達(dá)是最為直接有效的手段。 L4 要真正到來，業(yè)界普遍認(rèn)為需要比人駕駛有更高的安全性。
目前高級駕駛輔助系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的傳感器有攝像頭和毫米波雷達(dá)。在物體的拍攝上， 攝像頭主要缺點是在暗光環(huán)境切換至亮光環(huán)境時易出現(xiàn)過曝光、在逆光條件下或攝像頭被 污漬遮擋便會嚴(yán)重影響其信息采集效果。同時，在物體識別上，由于智能汽車 ADAS 前置 攝像頭的主流產(chǎn)品是單目和三目攝像頭，其測距原理都是先通過圖像匹配進(jìn)行目標(biāo)識別 （各種車型、行人、物體等），再通過目標(biāo)在圖像中的大小去估算目標(biāo)距離。在估算距離 之前，首先要求準(zhǔn)確識別目標(biāo)，是車、行人、卡車、SUV 還是轎車，因此正確識別是正確 估計距離的第一步，為此，需要建立并持續(xù)維護(hù)巨大的示例特征數(shù)據(jù)庫以確保它包含要識 別的所有特征數(shù)據(jù)。在此背景下，遇到未訓(xùn)練過的場景，攝像頭很難對距離進(jìn)行有效判斷， 從而容易發(fā)生事故。
市場空間：遠(yuǎn)期千億美金空間，2027 年中國市場空間預(yù)計超過 50 億美金
資本市場給予了激光雷達(dá)的相關(guān)公司較高的估值，我們認(rèn)為這跟激光雷達(dá)遠(yuǎn)期（比如 2030 年或 2035 年，跟 L4 級自動駕駛落地時間有關(guān)）的市場空間有較強(qiáng)的相關(guān)性。美股 上市的各家激光雷達(dá)公司對 2030 年的市場空間都抱有很高的預(yù)期。
那么中期的發(fā)貨量和市場規(guī)模會是怎樣呢？根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，從出貨量來看： 2018-2021 年，與 ADAS 有關(guān)的激光雷達(dá)出貨量總共約 15.6 萬件，Yole 預(yù)計 2022 年出 貨量約 19.4 萬件，2027 年達(dá)到 446.1 萬件，2022-2027 年復(fù)合增長率 87.1%。從市場規(guī) 模來看：2021 年全球激光雷達(dá)市場規(guī)模約 20.7 億美元，其中 ADAS 市場約 1.1 億美元。 Yole 預(yù)計到 2027 年全球激光雷達(dá)市場規(guī)模約 63.1 億美元，其中 ADAS 和自動駕駛汽車 會分別以 73%和 28%的年復(fù)合增長率增長至 20.1/7.0 億美元。
從實際落地情況來看，據(jù)我們統(tǒng)計，至 2022 年底，全球預(yù)計共有 32 款車型發(fā)布并搭 載激光雷達(dá)，其中售價或預(yù)計售價在 35 萬以上的為 26 款，25-35 萬為 5 款，25 萬以下僅 1 款，其中有近三分之二方案由國內(nèi)激光雷達(dá)廠商提供。同時，激光雷達(dá)已成為國內(nèi)新能 源品牌高端車型的普遍配置，平均搭載價格隨著國內(nèi)激光雷達(dá)廠商的崛起已有明顯下探。 我們認(rèn)為，隨著智能化浪潮的進(jìn)一步深化，激光雷達(dá)的滲透率將得以迅速提升。我們通過 拆分價格區(qū)間，以汽車銷售量 X L2 級以上 ADAS 滲透率 X 激光雷達(dá)在 ADAS 方案中滲 透率 X 單車價值量的方法，測算得出 2022/2023/2024/2025/2026/2027 年國內(nèi)激光雷達(dá) 市場規(guī)模分別對應(yīng) 2.26/11.37/15.65/21.26/33.92/53.42 億美元。
我們預(yù)測的滲透率及市場空間高于 Yole 的預(yù)期：1）由于激光雷達(dá)主要用于智能駕駛， 所以我們首先估算所有乘用車中 L2 以及 L2+級別輔助駕駛的滲透率；2）然后在配備 L2 及以上級別輔助駕駛的車輛中估算激光雷達(dá)的滲透率，從而算出激光雷達(dá)在乘用車整體中 的滲透率；3）根據(jù)乘用車整體出貨量數(shù)據(jù)以及激光雷達(dá)滲透率數(shù)據(jù)即可得到激光雷達(dá)預(yù) 期出貨量；4）最后，量價相乘，根據(jù)激光雷達(dá)預(yù)期售價和預(yù)期出貨量，測算預(yù)期市場空 間。我們主要采用以下五點核心假設(shè)：
1. 價格方面，根據(jù) Yole 的 ASP 數(shù)據(jù)（包含 905nm 前向雷達(dá)與補(bǔ)盲雷達(dá)）與我們 產(chǎn)業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)（1550nm 前向雷達(dá)），2022 年前向 905/前向 1550/補(bǔ)盲三種雷達(dá) ASP 分別為 600/1150/300 美金。隨著 VCSEL 光源逐步替代 EEL 光源帶來成本 下降，以及激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)帶來的成本攤薄，我們預(yù)計三種激光雷達(dá)價格將 逐步下降至 2027 年的 476/780/228 美金。
2. 數(shù)量方面，首先預(yù)測 L2 及以上級別輔助駕駛滲透率。根據(jù)高工智能研究院 2022H1 的數(shù)據(jù)，我們假設(shè) 2022 年 L2 以及 L2+滲透率與上半年保持穩(wěn)定，預(yù)計 2022 年價位在 10 萬以下/10-15 萬/15-20 萬/20-25 萬/25-35 萬/35 萬以上 L2 及 L2+ADAS 滲透率分別為 0.85%/ 20.41%/ 32.55%/ 53.24%/ 49.53%/ 27.41%， 我們根據(jù)近年來 ADAS 滲透率提升速度，假設(shè) 2027 年達(dá)到 25%/ 45%/ 65%/ 82.5%/ 82.5%/ 55%，總體滲透率從 2022年的 26.64%增長至 2027年的 55.75%。
3. 更進(jìn)一步估算激光雷達(dá)在搭載L2以上輔助駕駛車型中的滲透率。根據(jù)我們統(tǒng)計， 2022 年以來，國內(nèi)新能源廠商 35 萬以上新車型基本做到標(biāo)配激光雷達(dá)或提供激 光雷達(dá)選項，蔚小理等新勢力和北汽、上汽、廣汽等廠商均是如此；而國外廠商 如 BBA、大眾、通用、日產(chǎn)等廠商激光雷達(dá)量產(chǎn)上車規(guī)劃集中在 2024、2025 年。 因此我們預(yù)計 2025 年左右，在配備 L2 的中高端車型中，激光雷達(dá)會接近成為標(biāo) 配。我們預(yù)計 2023 年，10-15 萬/15-20 萬/20-25 萬/25-35 萬/35 萬以上 L2 及 L2+ADAS 方案中激光雷達(dá)的滲透率分別為 0%/0%/5%/30%/60%，2027 年達(dá)到 10%/25%/50%/85%/90% ， 對 應(yīng) 全 部 乘用車 中 激 光 雷 達(dá) 分 價 位 滲 透 率 4.5%/16.3%/41.3%/70.1%/49.5%，總體乘用車滲透率從 2022 年的 0.70%增長 至 2027 年的 23.61%。
4. 數(shù)量方面除了滲透率，還需要估算單車配備激光雷達(dá)的數(shù)量。我們預(yù)計，到 2027 年，ADAS 雷達(dá)方案根據(jù)市場定位將主要分為單前向雷達(dá)、1 前向+2 補(bǔ)盲雷達(dá)兩 種方案。
5. 最后，乘用車總銷量近年來保持相對穩(wěn)定。中信證券研究部汽車組預(yù)計隨著疫情 與經(jīng)濟(jì)情況改善，乘用車整體銷量和價格區(qū)間將有小幅上升，預(yù)計銷量將從 2021 年的 2148.2 萬輛增長至 2027 年的 2507.4 萬輛。
隨著固態(tài)雷達(dá)方案的持續(xù)發(fā)展以及部件集中度的提高，單車價值量將會進(jìn)一步下降， 有利于激光雷達(dá)的量產(chǎn)使用，同時，隨著 L2+滲透率的提升以及 L3 方案的逐漸滲透，我 們預(yù)計 2030 年全球激光雷達(dá)市場規(guī)模將逐步擴(kuò)大。
時間節(jié)奏：2022 年是上車元年，2023 年開始集中放量
我們認(rèn)為激光雷達(dá)行業(yè)拐點已至，從定點訂單、車型上市量、預(yù)計發(fā)貨量來看，今年 較以前均有較大提升，可以說 2022 年為激光雷達(dá)上車元年。根據(jù) Yole 的統(tǒng)計，從定點訂 單來看：2018-2021 年激光雷達(dá)公司共收獲 29 個定點，2022 年截至目前已有 26 個新定 點。從搭載車型上市情況來看，從奧迪 A8 搭載車載激光雷達(dá)算起，截至 2021 年底共有 13 款上市車型搭載激光雷達(dá)。2022 年預(yù)計有 22 款搭載激光雷達(dá)的新車上市。同樣根據(jù) Yole，從 ADAS 發(fā)貨量來看，截止 2021 年底，全球共有 15.6 萬臺 ADAS 激光雷達(dá)發(fā)貨， Yole 預(yù)計 2022 年有 22.1 萬臺。
我們認(rèn)為當(dāng)前搭載激光雷達(dá)的駕駛方案正處于降本過程的第一個節(jié)點。激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè) 鏈逐漸成熟，各雷達(dá)廠商生產(chǎn)良率提升，并隨著發(fā)射、接收模組成本下降而逐步實現(xiàn)更優(yōu) 性能、更低價格，激光雷達(dá) ASP 也迅速下降，超出 2020 年美股激光雷達(dá)廠商 IPO 時的整 體預(yù)期。根據(jù) Yole 咨詢，2022 年截至 9 月，ADAS 功能相關(guān)的激光雷達(dá)平均價格約 579 美元，包括前向主雷達(dá)和短距離補(bǔ)盲雷達(dá)，其中前向主雷達(dá)約 662 美元，短距離補(bǔ)盲約 220 美元，預(yù)計會在 2027 分別降至 475 美元和 158 美元。
結(jié)合 IHS Markit 對于原材料的成本預(yù)測，即 2025 年，一方面由于 SPAD 和 VCSEL 的快速降本，另一方面由于掃描結(jié)構(gòu)相對簡單，悲觀/樂觀情況下激光雷達(dá)成本會降至 305.1/182.2 美元，35%毛利率對應(yīng)單價 469/280 美元。
我們認(rèn)為，激光雷達(dá)的上車會首先集中在新能源廠商。傳統(tǒng)主機(jī)廠如奔馳、寶馬、奧 迪、大眾、通用、日產(chǎn)等節(jié)奏相對較慢，除在高端車型進(jìn)行一定試點外，目前量產(chǎn)規(guī)劃都 在 2024、2025 年。而目前國內(nèi)新能源廠商在 35 萬以上的高端車上已經(jīng)做到了普及，如 蔚來、理想近年上市的車型 ET7、ES7、ET5、L9 等都全線標(biāo)配激光雷達(dá)。小鵬、上汽、 北汽、廣汽的高端車型也都具有搭載激光雷達(dá)選項，我們預(yù)計這部分市場會在 2023 年開 始集中兌現(xiàn)，并隨著傳統(tǒng)主機(jī)廠的加入在 2024-2025 年持續(xù)增長，參考毫米波雷達(dá)以及 L2 方案的滲透過程，接下來有望下沉到 20-35 萬價格區(qū)間，并預(yù)計在 2025 年在該區(qū)間達(dá) 到約 31.2%的滲透率。 根據(jù)高工智能研究院的數(shù)據(jù)，2022 年上半年，中國市場（不含進(jìn)出口）乘用車搭載 前向 ADAS 上險量為 416.7 萬輛，前裝搭載率達(dá)到 46.8%，L2 級上險量 237.0 萬輛，前裝搭載率達(dá)到 26.6%。2019-2022H1，L2 滲透率從 3.5%增長至 26.6%，主要由其價格區(qū) 間的快速下探導(dǎo)致。根據(jù)高工智能研究院的預(yù)測，L2的滲透率會在 2025年至少達(dá)到 50%， 我們保守估計約 43.71%。屆時，激光雷達(dá)會成為高價格區(qū)間內(nèi) L2 級 ADAS 的標(biāo)配。
從拆機(jī)看整機(jī)：整機(jī)是最有價值的投資方向，行業(yè)將 有較高集中度
雖然目前激光雷達(dá)行業(yè)參與者眾多，格局看起來非常分散，但是在整個產(chǎn)業(yè)鏈條里， 我們依然認(rèn)為整機(jī)是最有投資價值的方向。除了整機(jī)的單車價值量高以外，我們還認(rèn)為長 期來看整機(jī)的集中度會相對集中，國內(nèi) CR5可能會高達(dá)85%，毛利率可能會達(dá)到 35%-40%， 雖然參與廠商眾多，但預(yù)計會逐步走向集中化。
第一，激光雷達(dá)的上車難度遠(yuǎn)高于另外兩類傳感器和眾多零部件。第二，由于光學(xué)路 徑設(shè)計的非標(biāo)，激光雷達(dá)的算法和整機(jī)是一個耦合的關(guān)系。第三，頭部公司在進(jìn)行電芯片的 SOC 整合，長期來看會通過 SOC 構(gòu)筑競爭壁壘。 投資價值：高壁壘帶來高集中度，軟硬件耦合預(yù)計毛利率區(qū)間 35%-40% 無論是車規(guī)難度，還是算法耦合、芯片自研，從投資的視角它們有一個共同的屬性， 即什么會形成激光雷達(dá)行業(yè)的壁壘。我們希望通過和其它汽車零部件尤其是攝像頭、毫米 波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等幾類傳感器的對比來判斷激光雷達(dá)未來可能的行業(yè)集中度和毛利率 區(qū)間。 對比不同的傳感器，我們發(fā)現(xiàn)，從攝像頭到毫米波雷達(dá)，產(chǎn)品復(fù)雜度提升，壁壘越來 越高，市場集中度也越來越高。在毫米波雷達(dá)市場內(nèi)部也有類似現(xiàn)象，難度較高的前向毫 米波雷達(dá)市場集中度明顯高于角雷達(dá)。與之對應(yīng)，壁壘越高毛利率也越高，例如 4D 毫米 波雷達(dá)技術(shù)難度和壁壘比普通毫米波雷達(dá)更高，對應(yīng)領(lǐng)域的 Arbe 公司毛利率也達(dá)到了 70% 附近。
激光雷達(dá)與這些傳感器對比有更高的技術(shù)壁壘和車規(guī)級難度，因此我們認(rèn)為長期來看， 激光雷達(dá)整機(jī)將具有比毫米波雷達(dá)和攝像頭模組更高的市場集中度，也應(yīng)當(dāng)有更高的毛利 率。關(guān)于激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)、攝像頭的對比，我們會在接下來三節(jié)里詳細(xì)地闡述。 如果將視野擴(kuò)大到整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈，激光雷達(dá)又應(yīng)當(dāng)處于何處？我們對汽車產(chǎn)業(yè)鏈上 的 A 股上市公司以及部分海外公司分行業(yè)進(jìn)行了統(tǒng)計。將公司聚類為 20 余個行業(yè)，制作 氣泡圖，橫軸為三年加權(quán)平均毛利率，縱軸為三年加權(quán)平均凈利率，氣泡大小為三年行業(yè) 營收總和（由于海外公司規(guī)模較大，業(yè)務(wù)范圍較廣，汽車業(yè)務(wù)通常僅為營收的一部分，我 們僅統(tǒng)計了部分汽車業(yè)務(wù)占比較高的公司）。 對比結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律仍舊是高壁壘帶來高毛利，例如功率半導(dǎo)體、車燈控制等。此外， 汽車芯片和算力芯片則有高毛利率。在整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，我們認(rèn)為激光雷達(dá)整機(jī)的壁壘 比當(dāng)前 A 股大多功率半導(dǎo)體產(chǎn)品（芯片產(chǎn)品較少，模組封裝公司占比更高）更高，且也應(yīng) 當(dāng)高于車燈控制等行業(yè)。我們認(rèn)為，激光雷達(dá)的毛利率區(qū)間可能在 35%-40%左右，凈利 率約為 12%-15%。
此外，如果激光雷達(dá)公司能夠進(jìn)一步提供上層算法或 ADAS 解決方案，其毛利率可能 更高。根據(jù)各家公司投資者交流會，多數(shù)美股激光雷達(dá)公司展望未來毛利率處于 50%-60% 區(qū)間。我們理解其毛利率可以拆分為軟件和硬件兩部分。硬件可以參考 Velodyne 傳感器 業(yè)務(wù)的毛利率，預(yù)期在 45%左右；軟件則主要包含高級 ADAS 功能，毛利率可以參考經(jīng) 緯恒潤的智能駕駛軟件方案和 Mobileye 的芯片加算法方案，分別約為 80%和 75%。但這一預(yù)期的主要問題在于，主機(jī)廠未必樂于使用激光雷達(dá)廠商提供的 ADAS 解決方案或算法 方案，如果車企更傾向于自己掌握智能駕駛核心算法，則來自于算法的高毛利或難以實現(xiàn)。
車規(guī)壁壘：由于復(fù)雜的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)的 DV、PV 有著高門檻
要做一款車規(guī)級的激光雷達(dá)是殊為不易的。廠商的第一款車規(guī)級激光雷達(dá)，總歷時可 能接近四年半到五年時間，具體而言可以分為2+2+1。第一個2，是指概念設(shè)計到原 型機(jī)A 樣出來，大約需要 2 年時間。第二個2，是指從 B1 樣接洽開始，一直到經(jīng) 過車企的 DV、PV 認(rèn)證到 SOP，大約需要 2 年時間。第三個1，是指 SOP 之后，繼續(xù) 解決產(chǎn)能、良率、返修率等各種問題。廠商的第二款車規(guī)級激光雷達(dá)，由于吸取了第一款 的經(jīng)驗教訓(xùn)，這個過程有望縮短到 3 年左右。
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于早期階段，除了開發(fā)周期長以外，激光雷達(dá)還是一個集光學(xué)、 電子、機(jī)械為一體的設(shè)備，器件的認(rèn)證和整機(jī)的認(rèn)證有較高的門檻。如器件要滿足 AEC-Q102（汽車光電半導(dǎo)體相關(guān)測試）、AEC-Q103（汽車傳感器相關(guān)測試）等標(biāo)準(zhǔn)要求， 整車廠的 EMC（電磁兼容）、NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）要求，以及功能安全 ASIL-B(D） 等要求。整機(jī)測試要滿足 IATF16949 質(zhì)量管理體系、IEC60825 激光產(chǎn)品安全要求，能經(jīng) 受住-40℃至 125℃工作溫度，滿足 OEM 廠的 DV/PV 試驗（電子電氣試驗)等要求。
除了所采用的零部件應(yīng)當(dāng)滿足 AEC 車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)外，主機(jī)廠的 DV/PV/PPAP 認(rèn)證也必不 可少。DV 指設(shè)計驗證（Design Validation），是主要用于檢驗汽車電子零部件產(chǎn)品硬件 設(shè)計質(zhì)量的一種測試手段，DV 的測試項目及等級依據(jù) OEM 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（沒企標(biāo)的按國標(biāo)或 ISO 標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行，產(chǎn)品通過試驗后才能進(jìn)入量產(chǎn)階段。根據(jù)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(rèn)證要求。 PV 指產(chǎn)品驗證（Product Validation），是用于檢驗產(chǎn)品量產(chǎn)質(zhì)量的一種測試手段， 一般測試項目來自于 DV，但較 DV 要少得多，側(cè)重于檢驗產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性 及一致性。一般一條產(chǎn)線工藝穩(wěn)定，下來一批產(chǎn)品，經(jīng)過 PV 之后驗證了產(chǎn)線工藝的性能， 后續(xù)一般只有工藝或者產(chǎn)品做了修改，才會再針對性的進(jìn)行相關(guān)的 PV。
極高的上車門檻也使得各廠商在當(dāng)前沒有能力并行開發(fā)多款車規(guī)級激光雷達(dá)。從其它 兩類傳感器來看，前向傳感器的規(guī)格和性能會遠(yuǎn)高于側(cè)向和后向傳感器，如毫米波雷達(dá)， 車的正前方一般會搭載 LRR（Long Range Radar，覆蓋距離約 200-250 米），而在側(cè)向會 搭載 MRR（Middle Range Radar，覆蓋距離約 100 米）或 SRR（Short Range Radar， 覆蓋距離小于 30 米）；又如攝像頭，特斯拉的前攝達(dá)到 130 萬像素，而側(cè)向翼子板和 B 柱的攝像頭僅為 30 萬像素。 然而我們在激光雷達(dá)上看到了不一樣的配置。比如長城的沙龍機(jī)甲龍上搭載了 4 顆華 為的激光雷達(dá)，前向、側(cè)向、后向為完全相同的規(guī)格；廣汽埃安上搭載了 3 顆速騰聚創(chuàng)的 激光雷達(dá)，前向和兩個側(cè)向激光雷達(dá)的規(guī)格也完全一樣。這從側(cè)面也驗證了當(dāng)前車規(guī)級激 光雷達(dá)確實有著很高的門檻。
算法壁壘：光學(xué)路徑設(shè)計非標(biāo)使得激光雷達(dá)整機(jī)和算法必須是耦合的關(guān)系
投資者比較關(guān)心的一個問題是攝像頭模組沒有高毛利率，激光雷達(dá)與攝像頭模組有多大區(qū)別，會不會和攝像頭模組一樣沒有高毛利？ 應(yīng)該說兩者的本質(zhì)差異比較大。攝像頭的封裝比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)化程度很高。
那么激光雷達(dá)包含了哪些算法呢。首先是點云生成的一系列算法，這個與硬件以及光 學(xué)設(shè)計是強(qiáng)耦合的關(guān)系，也稱為嵌入式算法，包含以下四個方面。（1）光源生成：由 FPGA、 Laser Driver 及相關(guān)算法生成，同時由 FPGA 形成抗干擾編碼等；（2）光源掃描：電機(jī)、 MEMS 等相關(guān)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(qiáng)由 DSP 算法完成；（4）信號處理：點云生成、狀 態(tài)數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)等。 點云生成后，有的車企會需要激光雷達(dá)廠商提供目標(biāo)識別算法，有的則不需要。目標(biāo) 識別需要的算力比較大，如果 FPGA 算力不夠的話，通常需要到駕駛域控制進(jìn)行計算，比 如到 Orin 或者地平線 J5 平臺上進(jìn)行計算。 類似 Luminar 這樣的企業(yè)會走得更為靠前，會基于點云和目標(biāo)識別做 ADAS 算法，比 如 ACC、AEB、LKA 乃至 L4 算法等。因此，Luminar 在財報里對 2025 年的毛利率也有 比較樂觀的估計，預(yù)計平均能到 60%。
芯片壁壘：頭部的激光雷達(dá)公司將在電芯片層面進(jìn)行垂直一體化
隨著激光雷達(dá)自身的不斷發(fā)展，算法不斷成熟，其算法演進(jìn)也比以前更加穩(wěn)定。隨著 大量車型開始搭載，激光雷達(dá)也開始從實驗性質(zhì)的產(chǎn)品逐漸轉(zhuǎn)變成工業(yè)產(chǎn)品，客觀上軟件 的變動也變得更小。在這樣的情況下，用 SoC 的形式將相對成熟的算法固化在電路中， 提升集成度，降低成本成為當(dāng)前激光雷達(dá)廠商的考量。而且，隨著出貨量增加，為其專門 設(shè)計一款 SoC 也成為了可行的選擇。在可見的未來，諸多固化在 FPGA 中的算法、用于 電機(jī)控制的 DSP 等都可能集成到 SoC 中，從而減少 FPGA 的使用量，降低成本。 在毫米波雷達(dá)中，SOC 化的過程早已完成。
從拆機(jī)看供應(yīng)鏈：發(fā)射和接收是核心，F(xiàn)MCW 3-5 年 內(nèi)難落地
由于 FMCW 激光雷達(dá)面臨激光器成本高、窄線寬線性、光波導(dǎo)器件表面公差難控制 等一系列問題，我們認(rèn)為 3-5 年之內(nèi)難以成為實際落地方案，因此在供應(yīng)鏈的探討中，我 們只討論 TOF 激光雷達(dá)，不對 FMCW 的激光器、調(diào)制器等部件展開論述。 如上一章所述，我們認(rèn)為激光雷達(dá)整機(jī)將有較高的集中度，因此供應(yīng)鏈投資應(yīng)當(dāng)圍繞 頭部激光雷達(dá)公司的供應(yīng)鏈中有核心壁壘的器件展開。由于激光雷達(dá)目前處于發(fā)展早期， 供應(yīng)鏈的變化具有很大的不確定性，因此尋找頭部激光雷達(dá)公司供應(yīng)鏈的變化或?qū)⒊蔀槲?來幾年激光雷達(dá)投資的重點工作。
發(fā)射端：國產(chǎn)激光芯片從 VCSEL 開始突破，快慢軸準(zhǔn)直有較高壁壘
在激光雷達(dá)中，發(fā)射端是價值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。在發(fā)射端中，隨著國內(nèi) 產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線調(diào)整，905nm VCSEL 激光芯片等產(chǎn)品有望在市場實 現(xiàn)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(yù)計其份額還有進(jìn)一步增長的空間。
光源：905nm 走向 VCSEL 大勢所趨，1550nm 實現(xiàn)錯位競爭
發(fā)射端的心臟就是光源。目前，決定光源技術(shù)路線的主要可以歸納為發(fā)光波長、 激光器結(jié)構(gòu)兩大指標(biāo)。按照波長劃分，最主流的是 905nm 波長和 1550nm 波長。按照結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhǔn)、溫漂、無熱化三大問題。接下來我們將從一些重點關(guān)注的 問題出發(fā)，分析不同技術(shù)路線的優(yōu)劣勢與特點，以及對應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的壁壘和價值。 本節(jié)主要回答以下問題。1、為什么激光雷達(dá)會選擇在 905nm 和 1550nm 發(fā)光；2、 905nm 和 1550nm 各有什么優(yōu)勢，各自的應(yīng)用場景是什么？3、為什么歐司朗在 905nmEEL 的一家獨大的局面難以動搖；4、為什么 905nm VCSEL 會成為產(chǎn)業(yè)趨勢；5、 為什么 TEC 在激光雷達(dá)里不再被需要；6、為什么激光器里需要加快慢軸準(zhǔn)直。
1、為什么是 905nm 與 1550nm？自然傳播窗口與產(chǎn)業(yè)鏈成熟度共同決定
首先，為何有 905nm 與 1550nm 兩條路線，而不是其他波長？這首先受到激光傳播 窗口的限制。大氣吸收譜限制了哪些激光波長能夠在空氣中使用，比如 300nm 以下的短 波會被臭氧吸收，1 微米以上的紅外波長又經(jīng)常會被水蒸氣吸收，所以激光器通常只能在 少數(shù)特定窗口工作。
2、選擇 905nm 還是 1550nm？允許的峰值功率高使得 1550nm 有探測優(yōu)勢， 材料體系使得 905nm 有成本優(yōu)勢
在 905nm 與 1550nm 光源中如何做選擇？主要還是取決于需求。激光雷達(dá)用戶對激 光雷達(dá)的首要需求就是看得遠(yuǎn)（發(fā)光功率大）、看得清（分辨率高，激光器點頻高）。激光 雷達(dá)需要看多遠(yuǎn)？主要取決于制動距離。在通常的柏油路面上，120km/h 條件下，制動距 離接近 130 米，所以需要確保探測距離在制動距離之上，才能在高速場景下保障安全。
那么是否現(xiàn)有的 905nm 和 1550nm 激光雷達(dá)都能做到足夠長的探測距離？其實不然。 1550nm 激光器由于采用光纖能夠放大激光，因此其功率更大，幾毫瓦功率的種子光源經(jīng) 過光纖放大，瞬時發(fā)光功率可達(dá) 1kW 級別（905nm 激光器則只有 100W 級別）。大功率帶 來的好處是探測距離更遠(yuǎn)，根據(jù)目前各家產(chǎn)品參數(shù)，1550nm 激光雷達(dá)對 10%反射率物體 的探測距離通常能夠達(dá)到 250m 以上（905nm 大多在 150m@10%左右）。對 10%反射率 物體具備 150m 探測距離有些時候是不夠的，其原因在于有大量低反射率物體，比如動物 毛皮、輪胎等，這些物體同樣會影響駕駛安全，但激光雷達(dá)對其探測距離往往會大幅縮減， 在這種情況下，1550nm 激光雷達(dá)會有更高的安全系數(shù)。
既然探測距離主要跟激光的功率有關(guān)，那么 905nm 激光雷達(dá)為什么不通過增加功率 來提升探測距離呢，這里遇到的主要挑戰(zhàn)是人眼安全。所謂人眼安全就是激光雷達(dá)不能明 顯加熱人的眼球結(jié)構(gòu)，不能燒壞視網(wǎng)膜、晶狀體、玻璃體、角膜等重要的光學(xué)結(jié)構(gòu)。視網(wǎng) 膜是視神經(jīng)的延伸，如果損壞將直接導(dǎo)致視力永久性損失。晶狀體、玻璃體等前部光學(xué)部 件如果損壞，則可能導(dǎo)致白內(nèi)障等病癥，同樣會導(dǎo)致視力嚴(yán)重?fù)p失。
而要保證不損傷人眼，需要滿足何種功率限制？這方面 ANSI 和 IEC 等權(quán)威組織已經(jīng) 有了較為明確的結(jié)論。由于紅外激光對人眼的損傷通常屬于加熱效應(yīng)，因此需要保證激光 照射不導(dǎo)致明顯的溫升。由于發(fā)熱等于功率和時間的乘積，因此要滿足盡量不發(fā)熱，只需 要激光照射的時間足夠短，或者連續(xù)照射功率足夠小即可。 由于 905nm 更接近可見光，視網(wǎng)膜對其更敏感，同時液態(tài)水對其吸收也更少，因此 這種光線更容易直達(dá)視網(wǎng)膜。相比而言，1550nm 容易被水吸收，因此在抵達(dá)視網(wǎng)膜之前 已經(jīng)被玻璃體等前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一輪吸收，抵達(dá)視網(wǎng)膜的較少。同時 1550nm 光折射率更大， 即便是抵達(dá)視網(wǎng)膜，也不容易聚焦成很小的光點，能量相對分散，進(jìn)一步減小了損傷。
基于以上原因，在連續(xù)波情況下，1550nm 激光的人眼安全功率達(dá)到 905nm 的 10 倍 ，如果是瞬間發(fā)光則倍數(shù)更多，如果發(fā)光控制在納秒級別（激光雷達(dá)通 常一個脈沖只有幾個納秒），那么 1550nm 激光人眼允許的強(qiáng)度可以更高。
所以，905nm 激光功率不能再大幅增加的原因在于人眼安全，1550nm 的探測距離優(yōu) 勢將繼續(xù)保持。然而，1550nm 激光器的短板是其成本更高。 905 體系近紅外激光器發(fā)展較早，是基于 GaAs 材料體系的（其他近紅外激光器如 850/865nm、1064nm 等也使用 GaAs 類材料），最早的 LED（半導(dǎo)體發(fā)光二極管）、最早 的半導(dǎo)體激光器都是基于 GaAs 開發(fā)的，可以說產(chǎn)業(yè)十分成熟，成本已經(jīng)很低。 而另一條路線 1550 所使用的激光器種子光源材料為 InGaAsP，需要基于 InP 體系開 發(fā)，一方面其發(fā)展比 GaAs 要晚一些，另一方面 In 元素本身也更稀有，成本也更高。根據(jù) Chemical Book 網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，銦的地殼豐度只有百萬分之 0.05，與銀相近，其稀有性決定 了其價格必然較高。Yole 對 InP EEL、GaAs VCSEL、GaAs EEL 的成本進(jìn)行了對比（由 于反射效率、散熱效率等物理層面問題，InP 體系目前沒有實用的 VCSEL 激光器）。橙色 部分顯示的是晶圓基片的成本，從中可見，雖然 6 寸晶圓的面積是 4 寸晶圓的 2.25 倍， 但是 4 寸的 InP 晶圓基片成本卻比 6 寸 GaAs 晶圓基片貴 3 倍多，如果換算成單位面積成 本，那么差距就更大了。
1550nm 激光器的成本受到材料因素與激光器類型因素的限制，并非是通過大規(guī)模生 產(chǎn)就能夠降低到 905nm 激光器同一水平的。 綜上所述，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(gòu)成錯位競爭。預(yù)計 1550nm 激光雷達(dá)將 主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(dá)） 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(dá)。 不過 1550nm 和 905nm 的功率特性也對其成本有所影響。通常 1550 路線的激光器 較少，一般只需要一個光纖激光器（包含一個泵浦光源和一個種子光源），之后還可以對 光纖中的激光進(jìn)行分束，1 個激光器就能同時打出多個光點，例如圖達(dá)通 falcon 采用 1 分 4 設(shè)計，1 個激光器可同時產(chǎn)生 4 條光束進(jìn)行掃描。而 905nm 路線的激光器由于功率有限， 通常無法分束，需要的激光器數(shù)量更多，比如速騰 M1 就采用了 5 個收發(fā)模組同時發(fā)光， 5 個激光器同時發(fā)光進(jìn)行掃描。禾賽 AT128 則配置更為豪華，直接采用 128 個 VCSEL 激 光器來實現(xiàn) 128 線掃描。可以說 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(nèi)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(gòu)筑了自己的優(yōu)勢，而溫漂是激光雷達(dá)的一個很大的挑戰(zhàn)。
4、低成本，VCSEL 取代 EEL 大勢所趨
雖然目前激光雷達(dá)領(lǐng)域的光源還是以 EEL 為主，但在 905nm 波長上，隨著多結(jié)工藝 提升了發(fā)光功率，VCSEL 替換 EEL 的趨勢越來越明顯，國內(nèi)激光芯片企業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇。 VCSEL 取代 EEL 的首要原因是成本，由于 VCSEL 是上表面發(fā)光而不是側(cè)面發(fā)光， 不需要在側(cè)面進(jìn)行太多加工，只需要按照正常的半導(dǎo)體加工工藝批量處理即可。而 EEL 是側(cè)面發(fā)光，所以在形成晶圓后還需要進(jìn)行切割，分別對每個激光器的側(cè)表面進(jìn)行處理、 鍍膜，無法按照現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝來一次性處理整個晶圓的激光器，成本較高。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(cè)面沉積多層晶體，成本會進(jìn)一步提高。
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(jié)的，功率較小。而激光雷達(dá)的發(fā)展對大功率激光器提出了需求， 做出多層結(jié)的 VCSEL 并不存在原理上的困難，只是需要時間進(jìn)行工藝開發(fā)，因此隨著近 年來 VCSEL 結(jié)數(shù)的不斷增加，最后一塊短板已經(jīng)被補(bǔ)齊，在激光雷達(dá)領(lǐng)域替代 EEL 已經(jīng) 完全可行。
5、為什么激光雷達(dá)里不需要加裝 TEC
另一種解決溫漂的思路就是主動對激光器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，正如現(xiàn)在的新能源車往往會 對鋰電池進(jìn)行熱管理。但這一思路更加凸顯了 VCSEL 路線的優(yōu)越性。在需要維持光波長 精確的場合主動進(jìn)行熱管理往往需要增加 TEC（半導(dǎo)體制冷器，Thermo-Electric Cooler）。 針對激光雷達(dá)進(jìn)行冷卻，然而加裝單個 TEC 的功耗往往在 2-3W 的水平，多個激光器這一 功耗水平對于平均功耗只有十幾瓦水平的激光雷達(dá)來說是一個不小的負(fù)擔(dān)。此外，增加 TEC 本身也會帶來額外的成本開支，由于目前 EEL 激光器已經(jīng)解決了溫漂問題，VCSEL 激光器天然溫漂就比較小，因此與光模塊不同，在激光雷達(dá)里不再需要加裝 TEC。
6、快慢軸準(zhǔn)直：單激光器配備 1-2 個準(zhǔn)直鏡，市場規(guī)模有望媲美手機(jī)鏡頭
發(fā)射端除了光源以外，另一類重要部件就是光學(xué)器件，其中最重要的一類就是用于對 激光器的光路進(jìn)行校準(zhǔn)的器件，在激光雷達(dá)整機(jī)中的價值量通常能夠達(dá)到 10-20 美金的水 平，市場空間也較為廣闊。 為什么需要對激光器發(fā)出的光進(jìn)行校準(zhǔn)？因為真實的激光并不是許多人想象當(dāng)中的 筆直的光束，而是存在著發(fā)散角的，尤其是半導(dǎo)體激光器，發(fā)散角非常大。由于半導(dǎo)體激 光器體積小，諧振腔小，對光束的篩選作用比較弱，而且發(fā)光面積小，發(fā)出的光線會發(fā)生 衍射，所以對于 EEL 來說通常射出的都是橢圓錐形光束，如果對著墻面照射則會打出一個 橢圓形光斑，其中橢圓形長軸通常稱為快軸，短軸通常稱為慢軸，快軸方向發(fā)散角可能達(dá) 到 25-50 度左右，慢軸方向發(fā)散角也可能有十幾度到二十度。VCSEL 激光器的光束也會 呈現(xiàn)圓錐形發(fā)散，發(fā)散角可以達(dá)到 20 度左右。如果采取這樣的光束直接照射，則能量會 很快分散殆盡，無法進(jìn)行有效探測。
另外，半導(dǎo)體激光器由于諧振腔的篩選能力不夠強(qiáng)，還存在光束質(zhì)量問題，也就是光 斑的強(qiáng)弱分布不均（存在多橫模），且在主要光斑周圍還有少量剩余能量（拖尾效應(yīng)），所 以有時也需要進(jìn)行調(diào)整。針對拖尾問題，經(jīng)常采用光闌將主光斑之外的少量光束舍棄。
鐳神智能的一款激光雷達(dá)發(fā)射模組中采用 8 個 EEL 激光器，在每個激光器的出光口直 接安裝 1 個快軸準(zhǔn)直鏡，體積更小，僅有亞毫米尺度，肉眼基本無法直接分辨。
而針對光學(xué)校準(zhǔn)，1550nm 路線再次展現(xiàn)了其優(yōu)勢。由于 1550 激光雷達(dá)使用光纖激 光器，而光纖（通常使用單模光纖）本身就具有極強(qiáng)的光學(xué)校準(zhǔn)能力，因此 1550nm 激光 器的光束質(zhì)量較高，輸出的幾乎是完美的圓形高斯光斑。同時其發(fā)散角也較小，根據(jù)武漢 理工大學(xué)張睛等人的研究，圓光纖的發(fā)散角只有 6 度多，通常只需要在光纖后加一個普通 的球面凸透鏡即可。
此外，對于絕大多數(shù)激光雷達(dá)，在接收光路上通常都需要用凸透鏡進(jìn)行光線匯聚，將 從目標(biāo)處反射回來的平行光匯聚在接收器所在的較小面積上。對于部分短距離 flash 激光 雷達(dá)，準(zhǔn)直需求將變?yōu)楣鈭鰪?qiáng)度均勻化以及光束視場角擴(kuò)大的需求，因此會對光場勻化器、 光束擴(kuò)散器等光學(xué)元件產(chǎn)生需求。 隨著激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展，預(yù)計對光學(xué)器件的需求將穩(wěn)定持續(xù)增長?？燧S準(zhǔn)直鏡將有較 大需求，此外慢軸準(zhǔn)直鏡、快慢軸準(zhǔn)直一體化透鏡、球面透鏡等也將有較多市場需求。未 來若激光雷達(dá)達(dá)到較高滲透率，按照單車 1 前向 2 側(cè)向的配置，單臺激光雷達(dá)光學(xué)元件價 值按照 10 美元計算，則全球市場規(guī)模有望超過百億人民幣，與手機(jī)鏡頭相近。
散熱與無熱化設(shè)計：避免產(chǎn)生光路變化，保障激光器高點頻
發(fā)射端除了發(fā)光、校準(zhǔn)光之外，還需要保障持續(xù)可靠工作，最主要的就是盡量避免發(fā) 熱的影響。如果發(fā)熱得不到有效控制，則溫度上升，不僅會導(dǎo)致激光器溫漂，還會導(dǎo)致其 他元件變形，對光路產(chǎn)生影響。由于功耗原因，通常不在激光雷達(dá)中進(jìn)行主動降溫，因此 就需要考慮散熱設(shè)計與無熱化設(shè)計。所謂無熱化，主要是指補(bǔ)償設(shè)計，當(dāng)溫度發(fā)生改變， 光學(xué)器件發(fā)生形變，但系統(tǒng)中不同部件的形變效果幾乎恰好抵消，使得光學(xué)系統(tǒng)的效果幾 乎不受溫度影響。 在激光雷達(dá)中，通常主要的發(fā)熱部件就是芯片和激光器，針對芯片，通常采用導(dǎo)熱膠 或?qū)峁柚确绞竭M(jìn)行充分散熱，以免熱量影響自身以及其他部件工作。
實現(xiàn)良好的散熱對于提高激光器點頻具有重要意義，從而能夠打破幀率、分辨率、視 野構(gòu)成的不可能三角。針對大功率激光器主要是采用熱沉進(jìn)行散熱，此處熱沉（heat sink） 通常是指一些能夠持續(xù)吸收熱量或者將熱量傳導(dǎo)走而又保持溫度穩(wěn)定的物體，在激光器當(dāng) 中通常指散熱材料。 無熱化的方法不盡相同，例如可以采取徑向折射率不同的材料制作透鏡來減弱溫度的 影響，或者采用帶有記憶特性的材料來讓光學(xué)元件之間產(chǎn)生相對位移，從而抵消形變的影 響等。
接收端：905nm 走向 SiPM，1550nm 使用 APD，PDE 與可靠性是關(guān)鍵
目前激光雷達(dá)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(yīng)。 眾所周知，二極管具有單向?qū)щ娦裕诜捶较驇缀醪粚?dǎo)電，除非施加較大的反向電壓， 直接強(qiáng)行讓二極管擊穿。雪崩擊穿就是二極管擊穿的一種，想象一塊從山頂滾落的石塊， 如果其速度夠快，它就能夠撞碎沿途的樹木和其他石塊，并且這些碎塊將伴隨初始的石塊共同加速滾下山坡，在途中不斷造成更大的破壞，最終越來越多石塊將加入這一過程，造 成巨大破壞，這一過程與雪崩極為類似。二極管的雪崩擊穿中，石塊換成了電子，強(qiáng)大的 反向電壓導(dǎo)致少量電子高速運(yùn)動，并將其他原子中的電子擊飛出來成為自由電子，這些自 由電子又將更多的電子擊飛成為自由電子，導(dǎo)致反向電流迅速擴(kuò)大，二極管擊穿。 雪崩擊穿與光子探測的關(guān)系就在于，光子能夠激發(fā)電子使其成為自由電子，在合適的 條件下能夠誘發(fā)雪崩擊穿。只需探測到二極管反向電流的突然增大，就意味著有光子存在。 最初利用光子激發(fā)電子原理的是光電二極管 PD（Photo-Diode），光子能夠增大反向電流， 但無法導(dǎo)致?lián)舸?，反向電流仍然很小，因此探測靈敏度不高。APD（Avalanche Photo-Diode， 雪崩光電二極管）其實就是光電二極管的升級版，直接給光電二極管加上反向電壓，這個 反向電壓十分接近擊穿電壓，如此只需有少量光子就可以誘發(fā)雪崩擊穿，導(dǎo)致電流劇增， 真正實現(xiàn)了高靈敏度的光探測。SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二 極管）則是在 APD 的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，直接施加反向電壓使其處于擊穿狀態(tài)，此時甚至 只需要 1 個光子擊中二極管中的電子就能夠誘發(fā)大規(guī)模的雪崩擊穿，所以 SPAD 能夠?qū)崿F(xiàn) 單個光子的探測。由于 SPAD的單光子探測功能，光電子大廠濱松也將其稱為 SPPC（single pixel photon counter，單光子計數(shù)器）。
而 SiPM（Silicon Photo-Multiplier，硅光電倍增管，濱松也稱為 MPPC，多像素光 子計數(shù)器）就是一組并聯(lián)的 SPAD，用于彌補(bǔ) SPAD 對光強(qiáng)感知能力不足的問題。由于 SPAD 只需 1 個光子就會發(fā)生雪崩，同時有 100 個光子入射和 1 個光子入射并不會帶來什 么區(qū)別。為了解決這一問題，直接將大量 SPAD 并聯(lián)，通過發(fā)生雪崩的 SPAD 數(shù)量即可判 斷光強(qiáng)。如今使用SPAD探測器的激光雷達(dá)通常都會直接使用SiPM，而不是單個的SPAD。
APD：低成本高可靠仍有價值，1550 路線需使用 APD
早期由于 SPAD 技術(shù)成熟度不足，激光雷達(dá)通常使用 APD 作為接收器。本次拆解的 較早型號的鐳神 CH32，其接收端芯片使用了一列 APD。
展望未來，APD 一個較為確定的應(yīng)用場景是 1550 路線的激光雷達(dá)。由于硅材料的限 制，SiPM 通常只能探測波長在 1100nm 以下的光子，對于 1550nm 的光子力有不逮。探 測 1550nm 的光子通常需要 InGaAs/InP 系列材料，此類材料內(nèi)部缺陷相對較多，如果制 程 SPAD，則其暗計數(shù)率（DCR，每秒在無光條件下由于材料內(nèi)部熱載流子自行引發(fā)雪崩 的次數(shù)）較高，所以通常采用 APD。 目前在1550nm APD領(lǐng)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(nèi)其余頭部激光雷達(dá)在合作。
SPAD/ SiPM：905nm 路線替代 APD 已成大勢，關(guān)注 PDE 與可靠性
近年來 SiPM 技術(shù)成熟度日漸提高，其高靈敏度的特性已經(jīng)得到業(yè)界充分認(rèn)知，越來 越多的激光雷達(dá)接收端開始采用 SiPM。例如速騰 M1 的接收端就采用了濱松的 SiPM。
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(qiáng)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(dá)的工作波長，所以僅靠濾光片是無法完全濾 除陽光的，強(qiáng)烈的陽光入射會導(dǎo)致 SiPM 中多個 SPAD 單元飽和，并且在恢復(fù)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。
所以在強(qiáng)烈的日光下，使用 SPAD/SiPM 的激光雷達(dá)經(jīng)常會出現(xiàn)探測距離明顯下降的 問題。雖然目前已有一些算法進(jìn)行日光干擾的處理，但往往效果并不完美，有時還會引入 額外噪聲，所以 SPAD 對自然光的處理仍然是一個難題。 目前 SPAD/SiPM 領(lǐng)域主要被索尼和濱松占據(jù)，安森美也有一定份額。國際廠商在光 子探測效率 PDE（Photon Detection Efficiency）、可靠性（包括暗計數(shù)率 DCR、后脈沖、 串?dāng)_等）方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢，其中索尼在 PDE 和分辨率方面占據(jù)優(yōu)勢，推出了 100k 像素 的 IMX459，而濱松在可靠性方面積累深厚，新產(chǎn)品串?dāng)_發(fā)生率只有前代的不到十分之一， 暗計數(shù)也實現(xiàn)了減半。
掃描端：轉(zhuǎn)鏡的核心壁壘在時序控制算法，MEMS 振鏡有較高難度
目前市面上主流的長距離激光雷達(dá)掃描方式為轉(zhuǎn)鏡類和 MEMS 類，我們預(yù)計在短期 內(nèi)這一局面仍將持續(xù)。
轉(zhuǎn)鏡：簡單可靠，目前最容易通過車廠認(rèn)證的路線
轉(zhuǎn)鏡是目前應(yīng)用最廣的路線，包括禾賽、華為、圖達(dá)通、鐳神智能等大多數(shù)廠商都有 采用轉(zhuǎn)鏡路線的產(chǎn)品。轉(zhuǎn)鏡路線的核心要素是電機(jī)以及針對特定波長高反射率的鍍膜反射 鏡，通常轉(zhuǎn)鏡只需保證勻速旋轉(zhuǎn)即可，無需變速或其他特殊控制，整體難度不高。具體方 案上，轉(zhuǎn)鏡可以單獨工作，也可以搭配振鏡，或采用線光斑掃描等方式。我國市場上，鳴 志電器、湘油泵等廠商得益于電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)，在轉(zhuǎn)鏡領(lǐng)域有一定儲備。
單一轉(zhuǎn)鏡：采用不規(guī)則棱鏡方式實現(xiàn)多線束掃描
單個轉(zhuǎn)鏡是最為簡單的方案，比如鐳神智能的 32 線轉(zhuǎn)鏡雷達(dá)，就是通過 8 個 EEL 激 光器和一個四面傾角略有不同的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)的 32 線掃描。從測量數(shù)據(jù)可見，其使用的轉(zhuǎn) 鏡底邊各個棱長略有不同，導(dǎo)致每一面并不是規(guī)整的矩形，四面鏡子存在大小不同的傾角。
轉(zhuǎn)鏡+振鏡掃描：改變振鏡轉(zhuǎn)速與激光器點頻制造ROI
與單獨的轉(zhuǎn)鏡方案不同，轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案靈活度較高，能夠支持 ROI 設(shè)計（密集掃描 重點關(guān)注區(qū)域，其他區(qū)域保持常規(guī)掃描頻率）。圖達(dá)通的 falcon 激光雷達(dá)采用的就是轉(zhuǎn)鏡+ 振鏡方案，轉(zhuǎn)鏡負(fù)責(zé)水平掃描，振鏡負(fù)責(zé)垂直掃描。 根據(jù)圖達(dá)通發(fā)布的專利《用于 LiDAR 系統(tǒng)的二維操縱系統(tǒng)》，光束從光源射出后打在 振鏡上，并被反射到轉(zhuǎn)鏡上，從轉(zhuǎn)鏡上反射到外界，再從被測物體處原路返回，回到接收 光路中。多個光源呈現(xiàn)略微不同的角度，同時向振鏡發(fā)光，即可實現(xiàn)多線掃描。實際中采 用的是光纖一分四，四線同時掃描。
圖達(dá)通的此種設(shè)計的一大優(yōu)勢在于能夠靈活調(diào)節(jié) ROI。垂直方向上，可以設(shè)定振鏡在 某一角度區(qū)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)較慢，則對應(yīng)的范圍內(nèi)掃描點將會更密集。同時在一個特定的水平視 場角內(nèi)也可以設(shè)定 ROI，這是通過改變激光器點頻來實現(xiàn)的，由于轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速是恒定不變 的，因此只需周期性提升激光器點頻。
轉(zhuǎn)鏡+線光源：華為/禾賽的新路線
轉(zhuǎn)鏡與線光斑的組合是一種較新的組合。華為在其新款激光雷達(dá)上采用該路線，由 8 個半導(dǎo)體激光器充當(dāng)光源，并經(jīng)過光學(xué)器件的整型成為均勻的線光斑。根據(jù)禾賽科技招股 說明書，其芯片化 V1.5 方案與當(dāng)前的 AT128 較為相似，而芯片化 V2.0 產(chǎn)品采用的是轉(zhuǎn) 鏡+線光源方案，意味著禾賽科技也有意向開發(fā)線光斑產(chǎn)品。
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(jìn)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。 線光斑路線的挑戰(zhàn)在于，一方面需要全新的光學(xué)設(shè)計和算法設(shè)計，另一方面線光斑要 求較大的出入光窗口，因此受到外界自然光的干擾也相對強(qiáng)烈一些。由于光路的可逆性， 點光源路線的激光雷達(dá)，只有與當(dāng)前發(fā)射光線角度近乎完全相同的外界光線才能進(jìn)入接收 端，而對線光源激光雷達(dá)而言，當(dāng)前掃描到的一條豎線上的外界光線都可以進(jìn)入接收端， 顯然干擾光的數(shù)量遠(yuǎn)多于點光源路線。而且由于線光斑的能力更為均勻，也就更為分散， 因此接收端往往也需要使用更為靈敏的 SPAD/SiPM，受到陽光的干擾也就更為嚴(yán)重，會 出現(xiàn)強(qiáng)光下探測距離下降的情況。
MEMS 振鏡：尺寸較小，平衡性能與體積
MEMS 振鏡是另一種主流路線，具備體積較小的優(yōu)勢。按照驅(qū)動方式，MEMS 可以 分為靜電式、電磁式、電熱式、壓電式，但目前市面上主要只有靜電式和電磁式兩類，后 兩類屬于實驗室產(chǎn)品。在這兩類之中，電磁式無需高電壓驅(qū)動，無需升壓電路，而且驅(qū)動 力明顯大于靜電式（可以驅(qū)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(dá)的主流。
由于 MEMS 振鏡振動的角度范圍比較有限，通常只有 10 余度，帶動光線掃過的角度 也只有二十幾度，所以需要 5 個激光器各自負(fù)責(zé) 20 多度的一個扇區(qū)，拼合起來實現(xiàn)與轉(zhuǎn) 鏡路線相同的水平視場角。
MEMS 領(lǐng)域，國內(nèi)希景科技、英唐智控、知微傳感等公司都有產(chǎn)品發(fā)布。國際上諸如 濱松、Mirrorcle，以及被英飛凌收購的 innoluce 等都有產(chǎn)品發(fā)布，但濱松的產(chǎn)品直徑較小， 頻率較高，并非直接面向激光雷達(dá)場景，innoluce 產(chǎn)品也是小直徑高頻率的類型，Mirrorcle 則主要擅長靜電驅(qū)動型 MEMS。國內(nèi)廠商中，希景科技是速騰的全資子公司，也是其產(chǎn)品 提供方，根據(jù)我們的現(xiàn)場測量，其產(chǎn)品長軸直徑達(dá)到 7 毫米，官網(wǎng)顯示其快軸頻率為 1.2-1.3kHz，抗 50 個 g 以上的沖擊，較為適合激光雷達(dá)的需求。
雙楔形棱鏡：低成本設(shè)計，最有利于低價的方案
雙楔形棱鏡是大疆主要采用的掃描方案，其由兩塊同軸放置的楔形棱鏡組成，隨著兩 個棱鏡以不同速度旋轉(zhuǎn)，將在前方掃出類似菊花的圖樣，其原理類似萬花筒。這一方案最 大的優(yōu)勢在于成本低、節(jié)約激光器和接收器，Livox Mid-40 官網(wǎng)售價僅 599 美金，而其最 大的劣勢在于幀率不足，外圈掃描點數(shù)不足。大疆新推出的高端車載產(chǎn)品 Livox HAP（官 網(wǎng)售價 1389/1599 美金）仍采用這一原理，不同點在于水平方向的掃描寬度明顯增加了。
信號處理：LD 驅(qū)動與 TIA 屬必需品，F(xiàn)PGA 主要進(jìn)行時序控制和算法
與信號相關(guān)的部件主要包括激光驅(qū)動芯片、跨阻放大器（用來將光電傳感器的電流放 大成較大的電壓）、ADC/TDC、FPGA 等。在這些領(lǐng)域，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)的較少，但其仍然具 備相當(dāng)?shù)膬r值量，也為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級提供了市場空間。
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(qū)動芯片，它負(fù)責(zé)在接收到主控芯片的發(fā)光指令后，給激光 器產(chǎn)生一個具體的控制信號。對于這個控制信號的主要要求就是足夠快，有足夠陡峭的上 升沿。通常在低速信號電路中，信號從 0 變成 1 可以看成是瞬間完成的，但在高速電路中， 從 0 跳到 1 的時間消耗就無法忽略了，所謂上升沿指的就是這個從 0 到 1 的過程，反之下 降沿就是從 1 到 0 的過程。 為什么對上升沿有較高要求？如前文所屬，激光雷達(dá)功率上限受到人眼約束，然而與 探測相關(guān)的主要是瞬時功率，因此如果能夠?qū)⑺矔r功率做高，同時讓發(fā)光時間變短，那么 就能夠提高探測距離。同時，縮短發(fā)光脈沖時間對于提高激光器點頻也有所幫助。因此， 盡可能縮短上升沿和下降沿時間就成為了有必要的選擇。 同時激光器要達(dá)到高功率短脈沖，不僅需要快速的 LD 驅(qū)動，還需要一個能夠快速響 應(yīng) LD 驅(qū)動的大功率電流源，通常是一個 GaNFET。
TIA：高速運(yùn)放，SiPM 仍需使用
在接收端，APD 或 SiPM 接收到光子后產(chǎn)生電流，理論上通過這個電流即可獲知光強(qiáng)， 然而實際上盡管反射光信號已經(jīng)經(jīng)過了 SiPM 或 APD 的放大，卻仍然較小，通常需要再次 放大。而且光電傳感器輸出的是電流信號，不利于與數(shù)字電路相融合，如果將其轉(zhuǎn)化為電 壓信號，則一方面方便數(shù)字電路處理，另一方面也能夠減小功耗。完成放大和電流轉(zhuǎn)電壓 （跨阻抗或跨阻的由來）任務(wù)的就是跨阻放大器 TIA（trans impedance amplifier）， 屬于高速運(yùn)放的一種。
TDC、ADC：TDC 適合低成本場景，ADC 支持更精密測量
由于反射光以及光電探測器通常輸出的都是模擬信號，往往需要將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號 才便于核心處理器進(jìn)行處理及運(yùn)行后續(xù)的算法。 TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)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)，此時只 TDC 需要連接到主控芯片（通常 MCU 即可）和光接收器 之間，當(dāng)主控芯片發(fā)出發(fā)光信號時，也同步給 TDC 一個開始計時的信號，隨后反射回來 的光經(jīng)過 TIA 轉(zhuǎn)換成放大的電壓，再經(jīng)過比較器與參考電壓比較，判斷是否有光入射，TDC 則將比較器的輸出當(dāng)做結(jié)束信號，完成計時，并將時間信息送回主控芯片。 ADC 通常用于更復(fù)雜的系統(tǒng)，ADC 對反射光信號進(jìn)行持續(xù)采樣，轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號，并由控制芯片進(jìn)行波形處理、計時等工作。
FPGA：適應(yīng)算法快速迭代，專用電路設(shè)計比 CPU 高效率
FPGA 通常在激光雷達(dá)中充當(dāng)主控芯片。為什么不采用 CPU 作為主控？因為激光雷 達(dá)需要進(jìn)行大量的信號處理、電機(jī)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(shè)計的電路，其效率會高得多。而作為汽車領(lǐng)域的新生事物，從 2007 年 Velodyne 激光雷達(dá)首次被用于 DARPA 挑戰(zhàn)賽至今，其上車的歷史也不過十五年，還 有許多硬件/算法設(shè)計尚處在探索階段，因此采用 FPGA 有利于反復(fù)迭代修改，同時還滿 足了專用電路的高效性。 舉例來說，僅僅反射波的波形處理就需要消耗大量算力，而且每一束反射光都需要進(jìn) 行處理，使用 CPU 既難以滿足算力需求，又浪費 CPU 的通用能力，因此往往需要專門的 電路進(jìn)行處理。波形需要什么處理？實際中的情形比理論中復(fù)雜許多，雖然發(fā)射端發(fā)射的 是一個短促的脈沖，但由于光束的擴(kuò)散，飛行過程中會遇到多個障礙物，產(chǎn)生多個反射波。 如果是樹木等物體，其反射波將更復(fù)雜。在 此情況下，我們?nèi)绾闻袛喾瓷涔獾姆祷貢r間，如何判斷反射率，都需要算法處理。
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