編者按：
蔚來周六發布了旗下首款轎車ET7，最大亮點之一就是配備了雷射雷達。蔚來創始人李斌在發布會上強調，對於高級別自動輔助駕駛來說，雷射雷達「不可或缺！」相比之下，特斯拉則一直鄙棄雷射雷達，堅持以視覺識別為主。目前電動車市場對於雷射雷達的態度已經形成明顯對立的兩派，那麼雷射雷達到底是什麼？對於自動輔助駕駛有多大意義？華泰證券在一篇報告中做了詳細說明。
核心觀點
不同於市場的觀點：
市場認為雷射雷達產業規模商用尚早。根據莎莉文預測2020~2025年車載雷射雷達市場複合增速將達到80.89%，到2025年市場規模將達到35億元。我們認為2021年雷射雷達行業有望加速發展，當前行業處於規模商用及滲透率快速提升的前夜，主要理由包括：
1)傳統車企和新能源車企將自動駕駛作為重要賣點，而雷射雷達是高等級自動駕駛的關鍵技術之一。2021年多家車企(寶馬、長城、北汽、蔚來)計劃在其量產的高端車型中使用雷射雷達。
2)以華為代表的巨頭將入雷射雷達行業，有望加速產業商業化進程。
3)海外雷射雷達公司相繼通過SPAC等方式登陸資本市場，融資能力得到提升，有望加速自身業務發展。
雷射雷達：自動駕駛汽車之眼
自動駕駛汽車又稱無人駕駛汽車，是一種通過電腦系統實現無人駕駛的智能汽車。相比於傳統有人汽車，自動駕駛具有三大優點：1)自動駕駛將降低車禍事故率和死亡率；2)自動駕駛將提升汽車的使用率，以更低的汽車保有量滿足現有出行需求；3)當自動駕駛汽車成為社會共享後，資源效率的提高或將更為可觀。
自動駕駛國家分級標準確定，奠定產業發展基礎
國際自動機工程師學會(SAE)將自動駕駛分為L0~L5六個等級，其中L0代表沒有自動駕駛加入的傳統人類駕駛，L1~L5則隨自動駕駛的成熟程度進行分級。國內方面，工信部於今年發布《汽車駕駛自動化分級》推薦性國家標準報批公示。該公示已於今年4月9日截止，並擬定於2021年1月1日正式實施。此次《汽車駕駛自動化分級》獲準通過，也意味著中國將正式擁有自己的自動駕駛汽車分級標準，為我國自動駕駛行業的發展奠定基礎。
《汽車駕駛自動化分級》根據在執行動態駕駛任務中的角色分配以及有無設計運行條件限制，將駕駛自動化分為0~5共6個等級，其中L3，稱之為有條件自動駕駛，是輔助駕駛和自動駕駛的分水嶺，其定義為系統在其設計運行條件內能夠持續地執行全部動態駕駛任務。L3以下稱之為輔助駕駛，L3以上稱之為自動駕駛。
雷射雷達是實現高等級自動駕駛的關鍵傳感器
感知、決策與控制是自動駕駛的三個環節，感知環節用來採集周圍環境的基本信息，是自動駕駛的基礎。自動駕駛汽車依託傳感器實現對於周圍環境的感知。針對不同應用等級，對於傳感器的需求不同，常見的傳感器包括：攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達和雷射雷達。
攝像頭：已實現在高等級輔助駕駛中的規模應用
相比於其他傳感器，攝像頭技術成熟且價格相對低廉，率先得到廣泛應用。汽車通過加裝攝像頭採集車輛周圍圖像信息，然後經過計算機的算法分析，實現物體識別、預警的功能。目前在高級輔助駕駛(ADAS)中已得到廣泛的應用。汽車攝像頭根據攝像頭個數可以分為單目、雙目以及多目，根據安裝位置，可以分為前視、後視、側視、環視等。
儘管攝像頭已經得到廣泛應用，但其缺點限制了其在高等級自動駕駛領域的應用，主要體現為依賴光纖，在逆光或光影複雜情況下以及惡劣天氣情況下效果較差，難以實現全天候的工作。
毫米波雷達：環境的適應性更強
相比於攝像頭，毫米波雷達對於環境的適應性更強。此外，其還具有高解析度、指向性好、抗幹擾以及探測性能好等優點。由於毫米波對於大氣的衰減小，對於煙霧灰塵等具有較好的穿透性，因此受到天氣的影響小。當前，車載的雷射雷達主要工作在24GHz、77GHz頻段，前者用於中段距離雷達，探測範圍在15~30m；後者主要用在長距離雷達，探測範圍在100~200m。由於77GHz產品在解析度和體積上更具有優勢，成為車載雷射雷達的主流方案。
儘管毫米波雷達具有更好的環境適應性，但其固有的特徵限制了其在高等級自動駕駛領域的應用，主要體現為毫米波雷達對於行人等非金屬物體反射波較弱，難以進行識別。
雷射雷達：高等級自動駕駛的關鍵技術
雷射雷達是一種向被測目標發射探測信號，然後測量反射或散射信號的到達時間、強弱程度等參數，以確定目標的距離、方位、運動狀態及表面光學特徵的雷達系統。雷射雷達的優點包括：1)具有極高的距離解析度、角解析度和速度解析度；2)抗幹擾能力強；3)獲取的信息量豐富，可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標的多維度圖像；4)可全天時工作。相比於毫米波雷達，雷射雷達可實現對人體的探測，相比於攝像頭，雷射雷達的探測距離更遠。
雷射雷達的測距原理可以分為ToF和FMCW，前者在產業鏈成熟度上更領先，成為當前市場上主要採用的方法。兩種方法具體的特點如下：
1.ToF:飛行時間法，通過直接測量發射雷射與回波信號的時間差，基於光在空氣中的傳播速度得到目標物的距離信息，具有相應速度快、探測精度高的優勢。
2.FMCW:相干測距法，將發射雷射的光頻進行線性調製，通過回波信號與參考光進行相干排頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離，其中調頻連續波是相干法中面向無人駕駛應用的主要方法。
針對ToF原理，從技術實現路徑上，雷射雷達可以分為機械式、混合固態和純固態。
總結來看，一個雷射雷達包括四大要素：分別為測距原理、光束操縱方法、光源以及探測器。在此基礎上，不同技術路線是以上相關元素的組合。
光源方面。雷射雷達常見的光源包括3種：邊發射雷射器、垂直面發射雷射器、光纖雷射器。在具體選擇光源時需要綜合考慮的因素包括：
1、人眼保護：雷射雷達光源的工作波長主要為850nm、905nm、940nm、1550nm。人眼內部的晶狀體、眼角膜等，隨著波長的增長，投射性能在減弱，基本上波長大於1400nm的光無法投射在視網膜上，也就是說波長小於1400nm的光或多或少都將投射在視網膜上，對其產生一定的影響。
2、探測距離：雷射器的雷射峰值功率越大，探測的距離越遠。對於邊發射雷射器，常見的大功率產品多工作在1000nm以下。對於光纖雷射器，其在保證功率的情況下，波長可以拓展中至1550nm。
3、綜合成本：雷射器往往需要和探測器配套，因此綜合成本也是光源選擇時的重要考慮因素。
探測器方面。雷射雷達的探測器按照材料分類主要包括矽探測器以及InGaAs探測器，按照器件結構可以分為PIN探測器、APD探測器、SPAD探測器以及SiPM探測器等。
1)機械式雷射雷達
具體是指發射系統和接受系統存在宏觀意義上的轉動，也就是通過不斷旋轉發射頭，將速度更快、發射更準的雷射從「線」變成「面」，並在豎直方向上排布多束雷射，形成多個面，達到動態掃描並動態接受信息的目的。機械式雷射雷達的優點是結構設計相對簡單，易於實現商業化。2012年穀歌展示的無人車上使用的便是由Velodyne提供的機械式雷射雷達。
根據豎直方向上發射單元的數量，機械式雷射雷達可以分為不同線束，常見的包括4線、16線、32線、64線和128線。線束越高的雷射雷達能夠更全面的反應物體特徵，但製造難度和成本也將提升。此外，機械是雷射雷達依靠機械組件實現水平方向的掃描，這些旋轉部件，如齒輪、馬達等，容易產生磨損，影響雷達精度，因此需要定期維護。目前採用機械是雷射雷達的主要廠商包括：Velodyne(VLDRUS)、Sick(未上市)、禾賽科技(未上市)、思嵐科技(未上市)等。
典型技術方案分析——Velodyne128線機械式雷射雷達
Velodyne於2018年發布128線雷射雷達，產品編號VLS-128，代表當時最為先進的機械式雷射雷達。該產品採用128線束，探測距離提升至300米，比原有64線產品提升兩倍，解析度提升了4倍。Velodyne稱該產品為L5級別自動駕駛而開發。
成本較低的16線雷射雷達，還不能達到自動駕駛汽車全場景應用的標準，而64線較高的價格也難以支撐其規模化量產。以16線雷射雷達為例，其探測距離為100米，測量精度為±3釐米，在高速運行場景下，較短的端側距離導致其安全隱患較為突出。通過提高線束可以提升探測距離，提高安全性，但另一方面，價格也將大幅提升。
2)混合固態雷射雷達
根據諮詢機構麥姆斯的定義，所謂「混合固態」是指對採用半導體「微動」器件——MEMS掃描鏡在微觀尺度上實現LiDAR發射端的雷射掃描方式。混合固態雷射雷達相比於機械式雷射雷達，其優點體現為，採用MEMS微振鏡替代了機械式產品中的宏觀掃描儀，利用MEMS微振鏡可將機械部件集成到單個晶片，並藉助半導體工藝生產，降低成本和產品體積。
當前技術成熟且量產的MEMS微振鏡企業主要集中在非大陸地區，大陸尚處於研發階段。主要的廠商包括英飛凌(IFXGR)收購的Innoluce(未上市)、美國Mirrorcle(未上市)、博世(RBOSGR)、濱松(未上市)、ST(STMUS)等。國內從事相關研究的公司和單位包括無錫微奧科技(未上市)、西安知微傳感(未上市)、上海微技術工研院(未上市)等。
相比於機械式雷射雷達，混合固態雷射雷達在體積、成本端皆有優勢，但由於MEMS微振鏡技術門檻較高，供應量相對不成熟，且MEMS微振鏡對于振動敏感，需要研究隔離振動技術。目前可提供混合固態雷射雷達的公司包括：Innoviz(未上市)、Luminar(LAZRUS)、Velodyne(VLDRUS)、速騰聚創(未上市)、禾賽科技(未上市)等。
3)固態雷射雷達
固態雷射雷達是指完全沒有移動部件的雷射雷達，根據技術路線，主要包括光相控陣(OPA)和Flash兩種。相比於前兩種，固態雷射雷達的優點包括：數據採集速度快、解析度高，對於溫度和振動的適應性強，通過波束控制，探測點可以任意分布。
OPA固態雷射雷達
OPA，全稱雷射相控陣技術。工作時，雷射器功率均分到多路相位調製器陣列，光場通過光學天線發射，在空間遠場相干疊加形成一個具有較強能量的光束。通過施加不同相位，可以獲得不同角度的光束形成掃描的效果，無需機械掃描。相控陣利用的是波的幹涉效應，多個波相互疊加時，有的方向增強，有的方向抵消，通過天線的相位差控制主光束的角度，進而實現掃描的功能。OPA固態雷射雷達的代表性廠商是Quanergy(未上市)。
其優點在於：1)尺寸小，無需旋轉部件，在結構和尺寸上可大大壓縮，提高使用壽命並使其成本降低。2)掃描精度高，光學相控陣的掃描進度取決於控制電信號的精度，理論上可以達到千分之一度量級以上。3)可控性好。4)掃描速度快。
其劣勢包括：1)掃描角度有限，無法實現360°掃描。2)旁瓣問題，在一定程度上分散了雷射的能量。3)加工難度大。4)接收面大、信噪比較差：傳統機械式雷射雷達只需要很小的接收窗口，但固態雷射雷達需要一個接收面。
Flash固態雷射雷達
Flash雷射雷達不用像MEMS或者OPA的方案去進行掃描，原理是在短時間內發射出一大片覆蓋探測區域的雷射，再以高度靈敏的接收器來完成對於環境圖像的測繪。根據雷射光源的不同，Flash雷射雷達可以分為脈衝式和連續式，前者可實現遠距離探測(100米以上)，後者主要用於近距離探測(數十米)。Flash雷射雷達的性能主要取決於焦平面探測器陣列的靈敏度。目前對於遠距離探測需求，需要使用到雪崩型光電探測器。
Flash雷射雷達的優勢在於能夠快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標或雷射雷達移動帶來的各種麻煩。其缺點在於光子預算，一旦傳播距離超過幾十米，返回的光子太少，導致無法進行可靠的探測。目前推出該方案產品的代表性公司主要包括：Ouster(未上市)、SensePhotonics(未上市)、大陸(CONGR)、IBEO(未上市)、LeddarTech(未上市)。
市場規模：2024年全球LiDAR市場有望突破百億美元
雷射雷達的下遊應用領域主要包括L4及以上高等級自動駕駛、ADAS系統、智慧城市(車路協同)、專業服務機器人及測繪等領域，未來受益於Robotaxi/Robotruck車隊規模擴張、固態雷射雷達在ADAS中的廣泛應用以及智慧交通建設等領域需求的推動，整體市場預計將呈現出快速發展的趨勢。根據沙利文預測到2025年全球雷射雷達市場規模將達到135.4億美元，2020~2025年複合增速為64.65%。
細分市場方面，在Robotaxi/Robotruck領域，隨著其商業化的開啟，擁有高精度測繪能力的雷射雷達有望迎來快速上量期，沙利文預計在2025年全球市場規模有望達到35億美元，2020~2025年複合增速為80.89%。對於L4級別以上的無人駕駛系統，雷射雷達被認為是必須的傳感器之一。目前各大自動駕駛的企業都將雷射雷達作為其傳感器解決方案的重點，目前在Robotaxi/Robotruck領域，主要應用的是可進行360°掃描的解攜時雷射雷達，其安裝於自動駕駛車輛的頂部，技術壁壘較高。
2021年或成為雷射雷達產業加速發展的開端之年
Gartner2019年汽車電子技術成熟度曲線顯示，以MEMS雷射雷達為代表自動駕駛硬體在經歷觸發期和期望膨脹期後，產業鏈逐漸走向成熟。Gartner預測，從2020年起具有L3級自主駕駛硬體能力的車輛將被廣泛生產，光探測和測距(LiDAR)等傳感器技術主要用於實現自動駕駛，將是未來5年內汽車產業普及的元器件，助力自動駕駛成熟。今年以來，我們發現雷射雷達產業正在發生積極的變化，2021年行業或迎來加速發展期。
產業生態的邊界隨著巨頭加入有望加速拓展，助力產業成熟
完全無人駕駛的發展路徑大致分為兩條，一方面，以谷歌、百度等為代表的科技公司以人工智慧、新一代硬體為抓手直接布局L4以上自動駕駛。另一方面，傳統車企基於ADAS從L3開始逐級迭代。這使得自動駕駛的產業生態分為兩大陣營：1)以谷歌(GOOGLEUS)、百度(BIDOUS)、亞馬遜(AMZNUS)等為代表的科技巨頭；2)以奧迪(未上市)、寶馬(BMWGR)等為代表的傳統高端車企。
雷射雷達作為實現高階自動駕駛的關鍵技術，受到來自兩大陣營的關注度在持續提升。具體體現為：1)越來越多的傳統車企以及造車新勢力表示，將在其後期量產車型中使用雷射雷達技術；2)以華為為代表的科技巨頭推出雷射雷達相關產品，產業生態持續拓展，加速雷射雷達產業成熟。
車企扎堆在2021年展示雷射雷達相關技術。寶馬規劃，將採用固態雷射雷達系統，用在其自動駕駛汽車上，並於2021年投入生產，該技術將由以色列公司Innoviz(未上市)和汽車供應商Magna(MGAUS)合作提供。此外，蔚來(NIOUS)表示將在2021年成都舉行的NIODAY上發布旗下首款純電動轎車，同時也將展示蔚來的雷射雷達技術。小鵬汽車(XPEVUS)在2020年11月20日舉辦的廣州國際車展開幕式上，創始人何小鵬表示，將在下一代自動駕駛架構中使用雷射雷達技術。我們認為，車企加速引入雷射雷達技術，對於產業鏈的成熟將產生重要的推動。
華為入局雷射雷達，低成本方案有望加速產業鏈成熟。今年12月華為(未上市)首次發布了其車規級雷射雷達產品和解決方案，華為表示已經建立了一條車規級雷射雷達的Pilot產線，按照年產10萬套/線的規劃推進。華為本次推出的雷射雷達為96線的中長距離雷射雷達，探測距離可達到150米，屬於MEMS固態雷射雷達範疇。該產品已用於北汽新能源(600733CH)旗下高端新能源品牌ARCFOX中。我們認為華為入局雷射雷達行業，憑藉其技術領先性有望急速產業鏈成熟。
海外雷射雷達公司通過SPAC登陸美股，加速資產證券化進程
海外從事雷射雷達的公司主要包括Velodyne、Luminar、Innoviz、Aeva(未上市)、Ouster(未上市)等，近期，相關公司相繼規劃通過SPAC(SpecialPurposeAcquisitionCompany)方式上市，我們認為海外雷射雷達公司加速資產證券化進程，有望藉助資本市場力量加速自身業務發展，推動產業成熟。
Velodyne和Luminar是兩家率先通過SPAC方式登陸美股的海外雷射雷達公司，同時也是全球雷射雷達領域的佼佼者。
Velodyne:車載雷射雷達的鼻祖
Velodyne是車載雷射雷達行業的鼻祖，公司創始人最早從事音響研發生產，後開闢雷射雷達產線，並成立VelodyneLiDar獨立發展雷射雷達業務。Velodyne第一次大範圍受到市場關注受益於谷歌無人車的推出，2010年穀歌首測的無人汽車使用的雷射雷達便由Velodyne提供。根據Velodyne財報，2020年Q3公司實現收入3210萬美元，同比增長137.8%。單季度出貨量達到2235臺，累積出貨量達到47500臺，累積客戶數超過300個。
公司的產品開發策略可以分為：技術路線和市場路線兩種。技術路線上，公司在64線產品HDL-64E基礎上，推出了128線且體積更小的VLS-128產品。此外，公司加速開發MCLM系列晶片級雷射雷達，滿足大規模、低成本與高性能需求，符合產業發展趨勢。市場路線上，公司在機械式雷射雷達產品線上，推出車規級產品VLP-32C。此外，面向ADAS應用，公司發布固態雷射雷達產品Velarry，該產品定目前以32線為主，後期會往下推出16線和8線產品。
車規級應用需要前期大量的產品開發和性能驗證，在一款車規級產品批量交付之前通常需要經歷三個重要時間節點，分別是RFI(Requestforinformation)、RFQ(RequestforQuotation)以及ProductionContract，其中以拿到ProductionContract作為實現車規級量產的重要標誌。在RFI之前，需要經歷4~12個月的定製化開發，之後進入初步測試階段。在此之後需經歷12個月的初期測試，通過後完成RFQ。在籤訂最終量產合同之前，仍需約12個月進行軟體開發和硬體系統校正。綜上來看，一款車規級產品的定型需要28~36個月。Velodyne在行業內具有先發優勢，當前公司已同沃爾沃(未上市)、奔馳(未上市)、福特(FUS)等車企達成合作關係。
Luminar:車載雷射雷達的創新者
Luminar成立於2012年，藉助創新的產品架構設計，Luminar實現了雷射雷達的小型化以及成本的大幅改善。傳統的機械式雷射雷達，每一組發射單元對應一組接收單元，線束越多，所需要的收發單元越多，導致雷射雷達組裝調試難度和成本大幅提升。Luminar的方案在光源端進行了改進，採用1550nm的光纖雷射器，並利用二維掃描鏡實現掃描，接收端採用了InGaAs探測器並匹配定製化的ASIC晶片。根據Luminar規劃，其商用產品預計將於Iris預計將於2022年推出量產。
Luminar產品的優點在於：1)採用1550nm光源避免了眼睛的傷害，在汽車中應用時，容易獲得監管通過；2)採用光纖雷射器作為光源，可以獲得加大的雷射脈衝峰值功率，拓展了探測的範圍；3)二維掃描鏡大大降低了光源和接收端器件的數目，有效的降低了成本。在此推動下，Luminar受到了廣大車企的青睞，其合作夥伴包括：豐田(7203JP)、沃爾沃(未上市)、日產(7201JP)、奧迪(未上市)、福特(FUS)等。
全球產業鏈圖譜與投資建議
全球雷射雷達產業鏈下遊為車企，中遊為雷射雷達整機廠商，上遊為晶片供應商。我們對於全球雷射雷達產業鏈進行了梳理，如下表所示：
我們認為雷射雷達是高等級無人駕駛的關鍵技術，當前行業正處於規模商用的前夜。中長期來看，關於技術路徑選擇的爭論或一直存在，我們認為機械式、MEMS、OPA、Flash以及FMCW的方案或在一段時間共存。然而，相比於技術路徑，我們認為商業化更加重要，滿足市場需求的基礎上持續進行產品和技術迭代，或將成為雷射雷達公司突圍的關鍵。商業化方面，我們認為車規級產品量產是商業化的重要標誌，建議積極關注與車企合作緊密，且在車規級產品量產方面研發進展具備先發優勢的企業。
風險提示
1、自動駕駛進展不及預期。自動駕駛的商業化進程受到多方面因素的制約，包括法律法規、行業標準以及宏觀經濟等因素，以上因素會將導致自動駕駛商業戶進程不及預期，進而在需求端影響雷射雷達行業的發展。
2、雷射雷達成本下降不及預期。當前來看，成本是限制雷射雷達商業化的重要因素，影響成本的因素包括下遊需求，技術路徑的選擇等。如果成本下降不及預期，會影響車企採用雷射雷達的進程。
3、技術替代的風險。我們認為未來自動駕駛將採用到多種傳感技術，雷射雷達是高等級自動駕駛的關鍵技術之一，如果未來其他替代性的技術被開發，則雷射雷達存在被替換的可能性。
（文章來源：華泰證券）