一文看懂雷射雷達

來源：摘自中信證券

與雷達工作原理類似，雷射雷達通過測量雷射信號的時間差和相位差來確定距離，但其最大優勢在於能夠利用多譜勒成像技術，創建出目標清晰的 3D 圖像。雷射雷達通過發射和接收雷射束，分析雷射遇到目標對象後的折返時間，計算出到目標對象的相對距離（下圖），並利用此過程中收集到的目標對象表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速得到出被測目標的三維模型以及線、面、體等各種相關數據，建立三維點雲圖，繪製出環境地圖，以達到環境感知的目的。由於光速非常快，飛行時間可能非常短，因此要求測量設備具備非常高的精度。從效果上來講，雷射雷達維度（線束）越多，測量精度越高，安全性就越高。

雷射雷達測距原理

相比於可見光、紅外線等傳統被動成像技術，雷射雷達技術具有如下顯著特點：一方面，它顛覆傳統的二維投影成像模式，可採集目標表面深度信息，得到目標相對完整的空間信息，經數據處理重構目標三維表面，獲得更能反映目標幾何外形的三維圖形，同時還能獲取目標表面反射特性、運動速度等豐富的特徵信息，為目標探測、識別、跟蹤等數據處理提供充分的信息支持、降低算法難度；另一方面，主動雷射技術的應用，使得其具有測量解析度高，抗幹擾能力強、抗隱身能力強、穿透能力強和全天候工作的特點。

Velodyne HDL-64 雷射雷達系統掃描點雲圖

雷射雷達主要包括雷射發射、掃描系統、雷射接收和信息處理四大系統，這四個系統相輔相成，形成傳感閉環。首先雷射發射系統中激勵源周期性地驅動雷射器，發射雷射脈衝，雷射調製器通過光束控制器控制發射雷射的方向和線數，最後通過發射光學系統，將雷射發射至目標物體；掃描系統負責以穩定的轉速旋轉起來，實現對所在平面的掃描，並產生實時的平面圖信息；雷射接收系統中光電探測器接受目標物體反射回來的雷射，產生接收信號；信息處理系統中接收信號經過放大處理和數模轉換，經由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態、物理屬性等特性，最終建立物體模型。

雷射雷達四大工作系統

雷射雷達的各個環節幾乎都有不同的執行方式（如圖 9），單從測距這一個環節來看，就存在基於時間的飛行時間法和不基於時間的相位式等方法，不同環節的組合構成了雷射雷達的近二十種分類方法。

雷射雷達分類

在評價雷射雷達的性能時，可以用到多個技術指標。線束、方位角、掃描幀頻、角解析度、測量精度、探測距離、數據率是七個常用的雷射雷達性能評價指標。下面以禾賽Pandar128 為例進行解析。

禾賽 Pandar128 橫截面圖

雷射雷達技術指標解析

機械式 vs 固態式，未來趨勢如何？

根據結構，雷射雷達分為機械式雷射雷達、混合固態雷射雷達和固態雷射雷達。機械式雷射雷達以一定的速度旋轉，在水平方向採用機械 360°旋轉掃描，在垂直方向採用定向分布式掃描以搜集動態信息；混合固態雷射雷達 MEMS（微機電系統）微鏡把所有的機械部件集成到單個晶片上，利用半導體工藝生產，不需要機械式旋轉電機，而是以電的方式來控制光束；固態雷射雷達分為 OPA 固態雷射雷達和 Flash 固態雷射雷達，其中 OPA技術原理與相控陣雷達類似，它由元件陣列組成，通過控制每個元件發射光的相位和振幅來控制光束，無需任何機械部件；Flash 面陣式雷射雷達不同於以上三種逐點掃描的模式，它利用雷射器同時照亮整個場景，對場景進行光覆蓋，一次性實現全局成像。

雷射雷達結構分類

目前以 Robotaxi 等高級自動駕駛玩家為主的主流選手更傾向於選擇傳統的機械式產品。在自動駕駛「跨越式」的演變歷程中，機械式雷達率先發展起來，經過不斷迭代，目前機械式雷射雷達的技術已經趨於成熟，同時高線束的機械式雷射雷達能夠獲得更高的解析度與測距距離，所以其目前會獲得高級自動駕駛商的青睞。

機械式雷射雷達結構示意圖

但使用傳統的機械式雷射雷達，也要面臨高昂的裝車成本問題，和產品低穩定性帶來的安全風險和維護成本。目前僅有法雷奧的一款 4 線機械式雷射雷達實現了車規級的量產搭載。對於 RoboTaxi 車隊來說，高昂的雷達成本在一定程度上阻礙了車隊的規模擴張；而對於 L3 乘用車來說，過高的雷射雷達成本和潛在風險也不在主機廠可接受範圍之內。

MEMS 雷射雷達結構示意圖

未來固態雷射雷達會代替現有的機械式雷射雷達，因為固態雷射雷達可以很好的解決機械式雷射雷達面臨的物料成本高+量產成本高的問題。固態雷射雷達的優勢在於，能夠最大程度地減少了例如電機、軸承等可動機械結構帶來磨損，同時也消除了光電器件因為機械旋轉可能造成故障，其與生俱來的特性使得雷達內部的結構布局更加合理，使整體散熱及穩定性相比於機械式雷射雷達有質的飛躍。

固態雷射雷達解決機械雷射雷達的問題

在固態雷射雷達技術演技路線層面，基於 MEMS 方式的固態雷射雷達是最有希望快速落地的成熟方案，OPA 與 Flash 則是明日之星。基於 OPA 的固態雷射雷達儘管有著掃描速度快、精度高、可控性好的優點，但其生產難度較高；而 Flash 雷達雖然穩定性和成本不錯，但其探測距離較近；相比之下，通過微振鏡的方式改變單個發射器的發射角度進行掃描，由此形成面陣掃描視野的 MEMS 雷射雷達，不僅技術上更容易實現，價格也更加可控，因此被主機廠一致看好。

四種雷射雷達性能比較

海外廠商存在先發優勢，國產勢力正逐步崛起

從產業鏈的角度來看，雷射雷達所處環節積聚了大量價值，具有很強的產業附加值。雷射雷達是下遊導航、繪測等應用的核心部件，目前產能稀缺導致供不應求，呈現賣方市場，對下遊有很強的定價權，因此該產業鏈主要附加值在於雷射雷達部分，行業整體盈利空間較大。

雷射雷達產業鏈

雷射雷達產業鏈中，海外廠商在上遊和中遊都存在著領跑的優勢，在技術和客戶群等方面都領先於國內廠商，但國內廠商近年來奮起直追，取得了許多突破性的進展，中國勢力正在逐步崛起。

近年來國家出臺了一系列政策來推動自動駕駛的發展，這也進一步推動了我國雷射雷達產業的發展。截至 2019 年底，全國共有 25 個城市出臺自動駕駛測試政策；2020 年 2月，中國國家發展改革委牽頭髮布《智能汽車創新發展戰略》，這是繼《中國製造 2025》之後又一個重磅的戰略發布；2020 年，國家發改委首次官方明確「新基建」七大板塊，雷射雷達作為終端傳感器設備，在自動駕駛、車路協同等智能交通、智慧城市領域的作用不斷凸顯。中國政府對自動駕駛的支持，也將對全球雷射雷達產業發展起到積極的推動作用。

雷射雷達產業鏈代表廠商

一、上遊情況：核心元器件海外壟斷明顯，國產自研勢力湧現

上遊主要包含雷射發射、雷射接收、掃描系統和信息處理四大部分，這四大部分中大量的光學和電子元器件，構成了雷射雷達的基礎。其中，雷射發射部分包含了雷射器和發射光學系統，雷射接收部分包含了接收光學系統和光電探測器，雷射掃描部分除了傳統旋轉電機和掃描鏡，核心是 MEMS 微鏡，信息處理部分主要包含放大器、數模轉換器以及軟體算法。上遊的核心元器件廠商，無論是光學元器件和電子元器件，涉及精密儀器、晶片的加工和製造，目前基本被國外大的廠家所壟斷。

2017 年及以前，國內廠商在上遊核心元器件的技術尚未發展起來，與之相關的專利技術申請數量極少。截至 2017 年，全球一共申請了 3 萬多項與汽車雷射雷達有關的專利，其中與雷射雷達產品本身直接相關的專利近7000項，這些專利由2000多名申請實體提交。這些專利主要集中在邊緣發射雷射器、發光二極體 LED、垂直腔面發射雷射器、 雪崩光電二極體和單光子雪崩二極體、 Flash 面陣式雷射雷達和固態雷射雷達五大領域；幾乎所有的國際零部件廠商、主機廠、初創企業都在大量囤積雷射雷達的相關專利，鞏固自身優勢，但根據一家德國諮詢機構統計，中國初創企業相關專利數量非常少。

雷射雷達上遊主要廠商

但近年來國內廠商也通過自研在上遊核心元器件領域取得了突破性進展，如掃描系統、雷射器和光源接收器等領域湧現出一批中國創業型企業。此外，中國市場上的雷射雷達晶片，特別是信號處理所需的元器件主要依賴進口，這在一定程度上抬高了雷射雷達的生產成本，因此多家國內的晶片企業都在爭取通過各自的優勢技術填補上國內市場在此領域的空白。

國內企業雷射雷達上遊研發進展

二、中遊格局：Velodyne 成功上市一馬當先，國內市場百花齊放

雷射雷達競爭日益激烈，Velodyne、Quanergy、Ibeo 等是國外代表雷射雷達公司，技術成熟；在國內，以速騰聚創、禾賽科技、北科天繪、鐳神智能等國產企業也先後崛起。

作為未來自動駕駛核心傳感器的代表，雷射雷達核心技術主要掌握在 Velodyne、Quanergy、Ibeo 三家國外企業中。美國 Velodyne 成立於 1983 年，其機械式雷射雷達起步較早，技術領先，同時與谷歌、通用汽車、福特、Uber、百度等全球自動駕駛領軍企業建立了合作關係，佔據了車載雷射雷達大部分的市場份額。Quanergy 成立於 2012 年，2014年推出其第一款產品 M8-1，並在奔馳、現代等公司的實驗車型上得到應用，M8 之後Quanergy 相繼發布的產品都開始走固態路線，採用了 OPA 光學相控陣技術，規模量產後將大幅降低傳感器價格。Ibeo 成立於 1998 年，是全球第一個擁有車規級雷射雷達的企業，其於 2017 年推出了全固態雷射雷達 A-Sample 樣機。

雷射雷達公司一覽

Velodyne 是自動駕駛雷射雷達行業的領頭羊，其日前與納斯達克掛牌的特殊目的併購公司（SPAC）Graf Industrial Corp.（美股代碼：GRAF）合併從而實現借殼上市，Velodyney 的成功上市為全球雷射雷達廠商樹立了良好的典範。受此消息影響，Graf 股價大漲 48.23%，市值達到 6.26 億美元。Velodyne 表示，合併後的公司市值約為 18 億美元，同時能從新的機構投資者及 Graf Industrial 現有股東那裡籌集 1.5 億美元融資。通過此次交易，Velodyne 的資產負債表上將有約 1.92 億美元現金，此次交易後，Velodyne 創始人 David Hall 及支持者福特、百度，現代摩比斯和尼康公司持有合併後公司 80%的股份。

Velodyne 發展歷史

從產品布局上來看，機械雷射雷達市場是 Velodyne 的絕對優勢，其在此領域擁有廣泛的產品布局，此外 Velodyne 也在前裝固態雷射雷達市場蓄勢待發。機械雷射雷達方面，Velodyne 主要有 64 線、32 線、16 線 3 類產品在售，官方定價分別為 8 萬美金（約合 52.3萬人民幣）、4 萬美金（約合 26 萬人民幣）和 8 千美金（約合 5.23 萬人民幣）。而從 2017年開始，Velodyne 就在 Vela-系列產品上開始加大投入：Velodyne 希望通過 Vella 軟體+ 低成本固態雷射雷達組合打進 ADAS 市場。作為全球雷射雷達第一股，Velodyne 在上市後將手握數億美金現金，這些現金將繼續支持其投入更大規模的新產品新技術研發及大規模量產。

高研發投入意味著雷射雷達是一門技術壁壘較高的生意，早期技術布局和後期大量資本的融入能進一步助力 Velodyne 在此領域的優勢。站在新的十年的開端，大量的資本儲備和固態雷射雷達將為 Velodyne 開闢全新的戰場奠定基礎。Velodyne 的盈利情況和現金流情況有望從 2022 年開始扭虧為盈，三費支出比率也料將隨著出貨量不斷增加而攤薄。

近年來興起自動駕駛浪潮後，國內也同步出現了一批雷射雷達公司，速騰聚創、禾賽科技、北科天繪、鐳神智能等國產企業先後崛起，國內市場競爭激烈，呈現出百花齊放的市場格局。

國內雷射雷達公司概況

國內玩家早期分為兩個流派，一類研發機械式雷射雷達與 Velodyne 等老牌玩家搶市場，另一類則直接鎖定固態雷射雷達產品，目標是在 2020 年之後登上前裝市場。

禾賽科技和速騰聚創是選擇與 Velodyne 相同發展路徑的代表廠商，產品以機械旋轉雷達為主，但都在逐步向前裝固態領域覆蓋，這兩家公司在滿足車規級要求同時主打性價比，核心策略是以價格優勢搶佔 Velodyne 市場份額。機械式雷射雷達產品的價格目前仍然較高，但相比之下同樣線束的國產機械式雷射雷達能夠比 Velodyne 便宜 1/3-1/2，價格優勢非常明顯。在最頂級的 64 線和 128 線產品線上，Velodyne 此前的 64 線雷射雷售價為五十至六十萬元，而禾賽的 64 線產品僅為二十多萬；在 16 線雷達市場，Velodyne 的產品需要數萬元，而速騰聚創的同類產品只需 2-3 萬。

比較禾賽科技和速騰聚創這兩家公司，其產品定位也存在較大差別。在高速自動駕駛領域（相對低速無人車來說），禾賽市場佔有率較高，百度、文遠知行、AutoX、元戎啟行等公司都在使用。而在低速自動駕駛領域，速騰聚創則是主要玩家，新石器、京東、菜鳥物流、高仙機器人等公司都主要使用速騰的 16 線雷射雷達產品，同時其 16 線、32 線產品也被圖森未來、嬴徹科技、AutoX 等部分高速自動駕駛公司採用。

而另一方面，隨著 2020 年起將逐步量產 L3 級自動駕駛乘用車，市場對車規級固態雷射雷達的需求將迎來一個小的高潮，大疆、華為等消費電子硬體巨頭相繼拿出了自己的雷射雷達新品，直接加入了前裝量產裝車的戰局。

2020 年 8 月大疆宣布公司首個實現了車用自動駕駛雷射雷達價格降到千元級別，而且能量產供應，大疆旗下孵化品牌覽沃科技日前在美國 CES 發布兩款高性能雷射雷達傳感器：Horizon 和 Tele-15，適用於 L3/L4 級別自動駕駛方案。Horizon 可以實現遠至 260米、反射率為 80% 的物體探測，其水平視場為 81.7°，可以輕鬆覆蓋 10 米外的 4 條車道，在城市路況下，Horizon 可以幫助自動駕駛汽車看得更寬。Livox Tele-15 在 905 納米波段下，能夠做到人眼安全且同時達到 500 米（反射率為 80%）探測距離，可以讓自動駕駛汽車看得更遠。Horizon 和 Tele-15 的產品組合構成一套完整的雷射雷達解決方案。

大疆雷射雷達方案參數表

產業前景：市場增長潛力巨大

CES（2020）展出雷射雷達產品梳理顯示，大部分雷射雷達供應商新推出的雷射雷達價格都降至 1000 美元以下，平均每車裝載 5 個雷射雷達，單車預計 5000 美元以下，而機械雷達和固態雷達將採取不同的方式降低自身產品成本。在機械雷達方面，飲冰科技通過採取通道晶片集成技術來降低成本：公司事先在晶片層面把多個通道進行了集成，不再需要進行單獨調試和校準，縮小了多線雷射雷達的體積、降低了光調成本，這使得飲冰的32 線雷射雷達大概與同行的 16 線雷達同價。而在固態雷射雷達層面，行業著重在晶片側發力以此來減小成本，相關晶片廠商正在固態雷射雷達的三條技術路線上（MEMS、OPA、Flash）各施所長，以此來解決相關技術難題。

全球雷射雷達銷售數量預測（單位：百萬個）

未來隨著自動駕駛技術的進一步普及，雷射雷達市場規模將會進一步擴大，而單車價值量下降將會進一步有利於雷射雷達的量產使用，預計 2030 年全球雷射雷達市場規模將超百億。諮詢機構 Yole 預計，雷射雷達應用是目前汽車行業增長最快的行業之一。從出貨量來看：Yole 預計 2020 年全球雷射雷達出貨量約 34 萬個，2025 年全球雷射雷達出貨量約 470 萬個，2030 年全球雷射雷達出貨量約 2390 萬個。從銷售額來看：預計 2020 年全球雷射雷達銷售額約 12.95 億美元，2025 年全球雷射雷達銷售額約 61.9 億美元，2030年全球雷射雷達銷售額約 139.32 億美元。

全球雷射雷達銷售額預測（單位：百萬美元）

儘管雷射雷達市場增長前景廣闊，但整個市場對其持有的態度逐漸回歸客觀冷靜，投融資熱度相較於前幾年有所減弱。從全球融資情況來看，2017 年成為投融資事件發生最為頻繁的一年，中國的投融資高峰相比全球晚一年。2017 年之後，雷射雷達通過車規的難度被更清醒地認識，投融資熱度逐漸「退燒」，該產業回歸理性。

ADAS 雷射雷達銷售額細分預測（百萬美元）

車載雷射雷達的應用根據需求被分成兩個派系。一是以 Robo-Taxi 為代表的「革命性」路線需求：直接應用於 L4~L5 完全自動駕駛開發，追求高性能的機械式雷射雷達；二是以自動駕駛乘用車(私家車)為代表的「漸進式」路線需求：逐漸應用於乘用車 L2+/L3 (ADAS高級輔助駕駛/ AD 自動駕駛)的車規雷射雷達，對尺寸、價格、生產製造性、穩定性有嚴格要求，性能方面「夠用就好」。根據諮詢機構 Yole 的預測，不同領域市場對於機械式雷達和固態雷達需求不一樣。

Robotic Cars 雷射雷達銷售額細分預測（百萬美元）

其中在 ADAS 領域，固態佔主導：Yole 預計固態雷射雷達和 Flash 雷射雷達出貨量從 2021 年起逐漸增多，2025 年，固態/Flash 約為 50 萬個，機械式約 290 萬個，比例為

1：5.8；從 2029 年開始，固態/Flash 出貨量超過機械式雷射雷達，到 2030 年，固態/Flash出貨量約為 1200 萬個，機械式約 730 萬個，比例為 1.64：1；

從銷售額的角度，2025 年固態/Flash 約為 2230 萬美元，機械式達到 13.12 億美元；而到了 2030 年，固態/Flash銷售額約為 45.83 億美元，機械式增加到 28.09 億美元。在 Robotic Cars 領域，機械式佔主導，前期以機械式雷射雷達為主，Yole 預計固態雷射雷達和 Flash 雷射雷達出貨量在 2023 年起逐漸增多：2025 年，固態/Flash 約為 5 萬個，機械式約 120 萬個，比例為 1：24；

到 2030 年，固態/Flash 出貨量約為 54 萬個，機械式約 400 萬個，比例為 1：7.4；從銷售額的角度，2025 年固態/Flash 約為 7300 萬美元，機械式約 45.82 億美元；到 2030年，固態/Flash 銷售額約為 6.46 億美元，機械式約 58.94 億美元。總的來看，根據 Yole預測，固態雷射雷達的銷售額佔比將會從 2025 年的 4.78%增加到 2030 年的 37.25%，銷量佔比將會從 2025 年的 11.83%增加到 2030 年的 52.6%。

傳統機械旋轉式雷射雷達系統雖然性能高，但由於物理極限和成本高等因素限制，難以滿足自動駕駛大規模車規量產需求。自動駕駛行業發展到現在，「革命性」路線準備商業化量產，「漸進式」路線追求更高級的自動駕駛，兩派的需求將走向統一。在車規量產和高性能需求下，固態雷射雷達技術快速發展。目前，雷射雷達正從機械旋轉式，到混合固態，再到純固態方向演進。

雷射雷達演進趨勢

除了關注價格和車規外，雷射雷達真正要進入量產車，智能化和軟體感知算法將是更大的挑戰。對於自動駕駛環境感知，傳感器硬體通常只完成了數據收集的工作，要真正獲取交通參與者方位、類別、速度、姿態等信息，必須經過感知算法的實時計算分析。感知算法的優劣直接決定對交通參與者的檢出率、感知準確度和感知距離。

如果感知算法性能不足，即使雷達硬體線數再高，也無法獲得優質的感知結果，所以說感知算法是雷射雷達感知系統的「第二個核心」。感知系統的剛需揭示了一個被掩蓋在雷射雷達硬體光環下的核心需求, 相比信息「收集器」，自動駕駛需要更聰明的信息「收集+理解者」。

一個典型的行業案例是速騰聚創在智能版的 MEMS 固態雷射雷達 RS-LiDAR-M1 Smart 中嵌入 AI感知算法與專用計算晶片組，可以同時輸出三維點雲數據與障礙物檢測、識別、跟蹤，路面交通標示等路況信息，充分保證決策層在冗餘的信息基礎上完成正確的駕駛決策，幫助車輛實現 Level3~Level5 高級自動駕駛與 ASIL-D 高級安全性。

總的來說，自動駕駛雷射雷達市場規模有望超百億美元，預計行業整體將會向「低成本化」、 「量產化」、「固態化」、「智能化」發展，同時國產勢力近年來逐步崛起，未來市場發展值得期待。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第2480期內容，歡迎關注。

存儲｜晶圓｜SiC｜AMD｜射頻｜臺積電｜美國｜蘋果