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汽车激光雷达行业:高阶自动驾驶必备传感器 远期市场将超百亿规模

一、汽车激光雷达介绍

(一)激光雷达概念

激光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)是一种以激光作为辐射源的探测技术和系统,能够通过激光器和探测器组成的收发阵列,发射激光光束并接收回波信号,对所处环境进行实时感知;结合测量周围物体的位置、距离、角度等相关数据,直接获取被测物体表面三维坐标及精确距离、速度信息,实现空间三维场景重建。此外,通过结合预先采集的高精地图,可实现高精度定位与导航

Ouster Flash 激光雷达示意

<strong>Ouster Flash 激光雷达示意</strong><strong>图</strong>

资料来源:Ouster 官网

根据观研报告网发布的《中国汽车激光雷达行业发展现状研究与未来投资预测报告(2022-2029年)》显示,激光雷达通过激光探测及点云技术实现对被测物体的主动精确测量。点云测绘技术是指通过大量离散点集合来表示空间内物体坐标和分布的一种技术,点云通常包含有位置、反射率、时间戳等信息。激光雷达发射端在激励源的作用下,向被测物体发射激光并在表面引起散射,其中一部分光反射回接收模块并被光电探测器接收,经由信号调理电路传输到信息处理系统进行处理计算,实现测距功能。同时,激光雷达在较短时间内对被测物体不断扫描所获的三维坐标,以扫描点形式反映分布在三维空间中形成点云,进而通过数据建模和成像处理,能够得到精确的三维立体图像。

激光雷达测距原理示意图

<strong>激光雷达测距原理示意图</strong>

数据来源:滨松官网

(二)激光雷达对比

当前,应用于智能汽车周围环境感知的主流传感器包括摄像头、毫米波雷达、超声波雷达和激光雷达。

摄像头是一种画面传感器,主要功能是拍摄、识别目标物体,提供视觉信息。摄像头能够通过拍摄获取车辆周围的实景画面,提取出形状、颜色等信息,通过深度学习算法对车辆、行人、标识等进行识别。摄像头具有较高的角度分辨率,但受光照影响较大,目标识别与测距准确度方面对算法有较强依赖。

毫米波雷达采用发射毫米波段电磁波的方式,根据发射频率与接收频率之差,对相对距离、速度、方向等进行测量。毫米波雷达就有同时测距和测速的功能,有效探测距离可达200米,但是单颗角度分辨能力较弱,对非金属材料的探测灵敏度较弱,导致在人车混杂场景中对行人探测效果不佳。

超声波雷达采用发射声波脉冲的方式,根据发射波和回波之间的时间差,对距离进行测量。超声波经由障碍物反射,通过接收、放大、转换数字信号等步骤完成测距。超声波雷达成本相对较低,但其有效探测距离通常小于5米,无法对中远距离物体进行测量。

相较于其他传感器,激光雷达具有测距远、精度高、角度分辨率高、受环境光照影响小等特点,同时可直接获得被测物体的位置信息,无需依赖深度学习算法,能够显著提升自动驾驶系统的可靠性。

不同传感器优缺点对比

传感器 优点 缺点
摄像头 成本相对较低;图像信息丰富;可识别物体属性(如颜色等)。 极依赖光线,夜间及逆光下效果不佳;易受极端恶劣天气影响;难以精准测距。
毫米波雷达 全天候工作,性能稳定;金属表面反射性良好;测速准确,分辨率高。 部分缓解易受干扰;无法检测物体属性;非金属表面检测不佳。
超声波雷达 成本相对较低;部分特殊物体表面也能反射(如玻璃、水面等) 探测距离较短;受风影响较大;能被某些物体吸收。
激光雷达 精度高,分辨率高,测距范围大;抗干扰能力较强,夜间环境下也能使用;非金属表面反射性好。 易受恶劣天气影响;透明物体不反射;成本昂贵。

数据来源:《基于激光雷达和毫米波雷达融合的目标检测方法研究》

二、汽车激光雷达技术发展

(一)核心模块

激光雷达核心模块包括发射模块、接收模块、扫描模块(机械式和半固态式)和主控模块。其中,发射模块包括激光器及驱动、发射光学系统,用于发射探测激光束;接收模块包括接收光学系统、探测器及模拟前端,用于探测反射信号并进行放大;扫描模块包括扫描器及驱动,主要用于机械式和半固态式激光雷达中,实现发射光束的偏转扫描;主控模块涉及时序控制、波形算法处理、其他功能模块控制、生成点云数据等功能。

激光雷达核心模块示意图

<strong>激光雷达核心模块示意图</strong>

资料来源:禾赛科技招股书

(二)激光光源

发射模块中,激光光源是核心器件之一,半导体激光器是常用光源。半导体激光器使用半导体材料作为工作物质,采用半导体工艺实现激光输出。半导体激光器根据谐振腔制造工艺的不同,分为边发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)和垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)。

EEL激光器的激光发射方向平行于晶圆表面,在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔,激光平行于衬底表面发出。VCSEL激光器的激光发射方向垂直于晶圆表面,在芯片的上下两面镀光学膜形成谐振腔,激光垂直于衬底表面发出。

EEL芯片(左)与VCSEL芯片(右)示意图

<strong>EEL芯片</strong><strong>(左)与</strong><strong>VCSEL芯片</strong><strong>(右)</strong><strong>示意图</strong>

资料来源:长光华芯招股书

激光光源选择需综合考虑激光雷达的技术方案、实际应用环境、性能及成本需求等因素。EEL激光器具有高发光功率密度和高脉冲峰值功率,芯片输出功率及电光效率较高,适用于APD(雪崩式光电二极管)探测器。VCSEL激光器具有低阈值电流、稳定单波长工作、可调频调制、波长漂移小等优点,生长结构更易于集成为芯片级二维阵列,制造成本低,适合大规模生产,适用于SPAD(单光子雪崩二极管)探测器阵列。

不同激光器性能及参数对比

激光器 EEL VCSEL
功率(ns 脉冲) ~120w ~120w
发光面积 点光源 大面积
功率密度
光束质量 非对称/中发散度 对称/低发散度(芯片级对称,可实现封装级不对称分布)
温漂系数 0.25nm/K 0.07nm/K
光谱宽度 3-8nm 1-2nm
切换时间 纳秒级 纳秒级
发射方向 侧视 顶视

资料来源:欧司朗光电半导体

常见的车载激光雷达波长为905nm或1550nm,以905nm较为主流。据Yole数据,在2021年汽车与工业领域激光雷达市场份额中,905nm占69%,1550nm占14%。905nm光源优势在于接收端可以使用硅基探测器,具有低成本、工艺成熟等优点;但其在10%反射率下最大探测距离多为150-200米,已接近人眼安全限制功率下的极限探测距离。而1550nm光源相较于人眼更加安全,此波长下可以使用更大的光功率来实现更远的探测距离,但成本上相对更加昂贵。

常见的车载激光雷达波长为905nm或1550nm,以905nm较为主流。据Yole数据,在2021年汽车与工业领域激光雷达市场份额中,905nm占69%,1550nm占14%。905nm光源优势在于接收端可以使用硅基探测器,具有低成本、工艺成熟等优点;但其在10%反射率下最大探测距离多为150-200米,已接近人眼安全限制功率下的极限探测距离。而1550nm光源相较于人眼更加安全,此波长下可以使用更大的光功率来实现更远的探测距离,但成本上相对更加昂贵。

资料来源:Yole,观研天下数据中心整理

短期内大多数激光雷达厂商选择使用905nm波长的EEL激光器结合ToF探测技术,因为其具有较为现成的可用性,可为车载激光雷达大规模商用提供较高性价比,同时也有部分厂商在近距离Flash激光雷达中使用VCSEL激光器。未来,FMCW探测技术不断成熟将带动1550nm光源、固态式激光雷达推进将带动VCSEL激光器成为实现高性能激光雷达量产解决方案的选择。

采用不同激光光源的激光雷达厂商

<strong>采用不同激光光源的激光雷达厂商</strong>

资料来源:Yole

(三)扫描技术

根据技术架构的差异及扫描方式的不同,激光雷达主要分为机械式激光雷达、半固态式激光雷达以及固态式激光雷达。

机械式激光雷达又称机械旋转式激光雷达,通过电机带动收发模块、扫描模块同时进行整体旋转,实现对空间视场360°范围的覆盖扫描。由于机械式激光雷达带有机械式转台,因此存在物理磨损、寿命较短、体积较大等缺点。

半固态式激光雷达的收发模块静止,仅扫描模块发生机械运动,扫描模块通过转镜、棱镜或MEMS(微振镜)等结构的运动,完成发射光束的空间偏转,从而实现扫描和探测。由于半固态式激光雷达收发模块与扫描模块解耦,体积更为紧凑,适用于部分视场角(如前向)的探测。转镜、棱镜方案中,电机带动对应光学部件进行运动,从而将光束反射至空间一定范围中实现扫描。MEMS方案中,反射镜在内的机械部件利用半导体工艺全部集成在单个芯片上,通过驱动信号来控制反射镜的摆动或偏移,实现对发射光束的控制,因此具有体积小、频率高、振幅小、可靠性强等优点。

固态式激光雷达内部无任何机械运动模块,不含机械扫描器件,体积最为紧凑,适用于部分视场角(如前向)的探测。固态式激光雷达包括Flash方案、OPA(Optical Phase Array)方案等。Flash方案,即泛光面阵式方案,通过短时间内直接发射出一大片激光覆盖探测区域,再利用高灵敏度探测器接收反射光,记录每个像素点的飞行时间并进行成像,从而完成测距及对环境信息的采集。OPA方案,即光学相控阵方案,由若干发射接收单元组成阵列,通过调节阵列移相器中每个移相器的相位,利用相干原理,在特定方向上产生互相加强的干涉光束,从而实现发射光的偏转及一定空间范围内的扫描。

据Yole数据,在2021年汽车与工业领域激光雷达市场份额中,机械式、MEMS方案、Flash方案占比分别为66%、17%、10%。虽然目前市场份额中仍以机械式为主,但其体积、寿命等缺点难以满足车规要求。MEMS方案等半固态式激光雷达产品成熟度较高、易过车规,逐渐成为车企的主流选择。Flash方案具有体积小、精度高、速度快等优点,是目前固态式激光雷达的主流方案。OPA方案由于存在旁瓣效应,加工精度要求高,制造工艺难度大,进展相对缓慢;但OPA方案结合FMCW测距法具有可直接测量待测物体速度信息、抗干扰能力强、具备大规模生产潜力等优势,是未来重要的发展方向。

据Yole数据,在2021年汽车与工业领域激光雷达市场份额中,机械式、MEMS方案、Flash方案占比分别为66%、17%、10%。虽然目前市场份额中仍以机械式为主,但其体积、寿命等缺点难以满足车规要求。MEMS方案等半固态式激光雷达产品成熟度较高、易过车规,逐渐成为车企的主流选择。Flash方案具有体积小、精度高、速度快等优点,是目前固态式激光雷达的主流方案。OPA方案由于存在旁瓣效应,加工精度要求高,制造工艺难度大,进展相对缓慢;但OPA方案结合FMCW测距法具有可直接测量待测物体速度信息、抗干扰能力强、具备大规模生产潜力等优势,是未来重要的发展方向。

资料来源:Yole,观研天下数据中心整理

(四)接收模块

根据选用光电探测器的不同,激光雷达接收模块主要包括PD(PIN Diode)光电二极管、APD(Avalanche Photo Diode)雪崩式光电二极管、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)单光子雪崩二极管和SiPM(Silicon Photo-Multiplier)硅光电倍增管。与普通二极管反向截止特性不同,光电二极管在反向电压作用下工作,无光照时存在微弱暗电流,有光照时迅速增大为光电流,将光信号转化为电信号。PD、APD、SPAD均是基于PN结的光电二极管,工作在不同的电压区间。PIN是在PN结的P区与N区之间掺入浓度很低的I型半导体,吸收光辐射而产生光电流的一种光电探测器。PIN施加较小的反向偏置电压后,耗尽区在本征层中扩展,稳定后无移动的电荷载流子。当光子进入I区被吸收后产生电子-空穴对,在耗尽区势垒电场作用下电荷载流子沿相反方向移动,从而产生电流。APD工作在线性模式(Linear Mode),偏置电压较高,接近但低于反向击穿电压。通过施加反向电压产生内部增益,当光子进入后,二极管将产生较大电流,因此可以测量低水平的光信号,同时具备较好的线性。相较于PIN,APD具有更高信噪比、快速相应、低暗电流和高灵敏度的特点。SPAD工作在盖革模式(Geiger Mode),偏置电压高于击穿电压。即使仅一个光子进入后,二极管持续处于反向击穿状态,产生特定于元件的饱和输出电流,表现出无穷大的增益,因此具备单光子探测能力。

SiPM是由多个工作在盖革模式下的SPAD传感器阵列组成的新型光电探测器件。根据SiPM的电路结构图显示,其作为一个像素的基本单元是盖革模式下的SPAD与淬灭电阻的组合,通过排列和连接进而形成大量的二维阵列。与只能检测单个光子的SPAD不同,SiPM通过基本单元克服单光子限制,具有在高动态范围内的多光子检测能力。

APD是最早用于车载激光雷达的光电探测器之一,已被大多数厂商采用。SPAD具有灵敏度高、噪声低、时间分辨率高等优势,并且能够进行单片集成或封装级集成,实现片上系统。SiPM由于工艺难度较高虽暂未大规模采用,但其具备高增益、高灵敏度、高检测效率等优点,具备高性能光子计数能力,能够完成从单个光子到数千个光子的检测应用,随着未来工艺水平的提高,将会成为重要的发展方向。

(五)未来趋势

固态VCSEL+SiPM是未来激光雷达的发展趋势。目前激光雷达各技术路径尚未收敛,各家厂商均在探索不同的发展方向。长期来看,固态激光雷达不存在任何运动装置,性能稳定、可靠性强,因此激光雷达未来将会朝着小型化、高性能、低成本的纯固态方案演进。随着半导体工艺在激光雷达模块中的不断应用,未来VCSEL与SPAD/SiPM等光电器件的成熟与配合将不断促进激光雷达收发模块向阵列化、集成化发展。

三、汽车激光雷达市场规模预测

下游行业的发展,将带动国内激光雷达市场的发展。从无人驾驶领域来看,据相关研究报告显示,中国将是全球最大的自动驾驶市场,到2030年中国自动驾驶乘用车数量将达到800万辆,自动驾驶将占到乘客总里程(Passenger Kilo Meters Travelled,PKMT)的约13%,基于自动驾驶的出行服务订单金额将达2,600亿美元。国内企业如百度、滴滴、小马智行、文远知行等已在多个城市开展无人驾驶出租车业务的试运营,预计商业化应用后对激光雷达的需求将进一步增长;从高级辅助驾驶领域来看,中国是全球最大的新车销售市场,2020年11月发布的《智能网联汽车技术路线图(2.0版)》明确指出到2030年我国L2和L3级渗透率要超过70%,这将对激光雷达产生巨大的需求;从服务型机器人领域来看,受无人物流、无人清洁、无人作业等需求的推动,中国市场对于服务型机器人及其搭载的激光雷达同样拥有巨大的潜力;从车联网领域来看,当前“新基建”计划总投资额高达34万亿元,其中“5G+车联网”协同发展受到国家政策大力推动,多地出台重点项目投资计划并开展智能网联示范道路的建设,例如浙江投资约707亿元建设首条无人驾驶智慧高速——杭绍甬高速公路,此外中国智慧城市项目数量约占据全球总数一半,“新基建”车联网的发展对激光雷达的需求将保持稳定增长。

早期机械式激光雷达难以应用于乘用车上,半固态激光雷达仍处于车规验证中,因此上车进展缓慢。进入2022年,半固态激光雷达的成熟使其在乘用车市场逐渐爆发,随着主机厂对激光雷达功能开发的深入以及激光雷达成本的降低,激光雷达搭载车型数量将在短时间内保持较高增速;而Robotaxi也在政府及下游企业的共同推动下持续开城,测试及运营车队数量将保持稳定增长。车载激光雷达市场有望自2022年6.54亿元增长至2029年121.93亿元,实现51.89%的年复合增长率。(wqf)

早期机械式激光雷达难以应用于乘用车上,半固态激光雷达仍处于车规验证中,因此上车进展缓慢。进入2022年,半固态激光雷达的成熟使其在乘用车市场逐渐爆发,随着主机厂对激光雷达功能开发的深入以及激光雷达成本的降低,激光雷达搭载车型数量将在短时间内保持较高增速;而Robotaxi也在政府及下游企业的共同推动下持续开城,测试及运营车队数量将保持稳定增长。车载激光雷达市场有望自2022年6.54亿元增长至2029年121.93亿元,实现51.89%的年复合增长率。(wqf)

资料来源:观研天下数据中心整理

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