激光雷达被广泛用于无人驾驶汽车和机器人领域,被誉为广义机器人的“眼睛”,是一种通过发射激光来测量物体与传感器之间精确距离的主动测量装置。激光雷达通过激光器和探测器组成的收发阵列,结合光束扫描,可以对广义机器人所处环境进行实时感知,获取周围物体的精确距离及轮廓信息,以实现避障功能;同时,结合预先采集的高精地图,机器人在环境中通过激光雷达的定位精度可达厘米量级,以实现自主导航。

 

激光雷达主流的三大应用场景

 

 全球激光雷达发展趋势和市场现状

 

激光雷达应用范围广,可以用于无人驾驶、ADAS、服务机器人、车联网等各个领域,特别是自动驾驶技术的成熟发展与推动创造了对激光雷达市场的庞大需求。激光雷达是L3 及以上自动驾驶汽车的关键传感器,伴随L3 汽车逐步量产,激光雷达将迎来市场放量。L3、 L4车辆分别平均搭载激光雷达数为1 个、2-3个、 4-6个,伴随成本逐渐下降、预计未来激光雷达将渗透至L2 车辆。

 

自2017 年奥迪A8 首次搭载SCALA 的激光雷达后,2021年多款搭载激光雷达的新车型发布,除了蔚来、小鹏、极狐等造车新势力,更有奔驰、本田等传统车厂实现激光雷达上车,预计这些车型将于2021 年底开始陆续量产交付,可以期待2022 年成为激光雷达放量元年。

 

根据沙利文的统计及预测,未来受到 L3-L5自动驾驶普及,车路协同的智慧城市,专业服务机器人等领域需求的拉动,全球激光雷达市场于2019- 2025年的复合增长率达64.5%,从2020年的 10-12亿美元,增长超过 10倍以上到 2025年的 135.4亿美元。

 

根据另一研究机构TrendForce 的预测,2030 年全球激光雷达前装量产市场出货量将超过1.2 亿个,2021-2030 年复合出货量增长率达120%,2030年全球激光雷达前装量产市场规模将达233 亿美元,2021-2030 年复合增长率近90%。按照全球9000万辆汽车、一辆车搭载4个激光雷达、单个激光雷达售价500美元计算,Luminar预计全球激光雷达总市场规模达1800亿美元。

 

 

全球激光雷达市场规模(亿美元),来源:Frost & Sullivan

 

 

中国激光雷达市场规模(单位:亿美元),资料来源: 沙利文研究

 

国外的激光雷达产业起步较早,竞争日益激烈,明星企业都有自己的独特优势技术,同时在2020年纷纷开始上市之路。其中Velodyne、Luminar 已于2020 年通过借壳方式实现上市,Aeva、Innoviz 以及Ouster 计划于2021 年上市。

 

 

海外激光雷达主要厂商,资料来源:传感器专家网

 

其中Velodyne在机械式雷达方面具有显著优势,占有较大份额;Luminar 在 MEMS激光雷达方面较为领先;Aeva 是唯一采用FMCW 技术路径的厂商;Innoviz、Ouster 主要聚焦固态激光雷达研发。

 

 

海外激光雷达厂商技术对比,资料来源:汽车之心

 

 中国激光雷达产业情况

 

尽管国外企业具有先发优势,但国产企业在成本和精度上相比国外同档次产品依然拥有优势。

现在固态激光雷达领域还没有公认的成熟解决方案,所有企业基本是齐头并进的竞争,所以这个领域国产厂商有望超车。以采用FMCW 技术的公司为例,目前有3家公司采取该技术:光勺科技、国科光芯、洛微科技。据公司官方数据,光勺科技计划2021年第4季度实现量产;洛微科技则已初步完成样品设计。机械旋转雷达领域,主要是速腾聚创、禾赛科技、镭神智能三家明星企业,但目前已经开始向前装固态领域转型。

 

 

国内满足车规级要求的部分激光雷达产品介绍

 

 

主要企业技术路径及应用场景统计,资料来源: 青桐资本

 

从产业链的角度看,中国激光雷达产业链完备,各环节都有参与者,跟随国际领先厂商发展。国外厂商在上游光源、探测器和光束操纵等领域具有优势。上游激光器国产厂商有瑞波光电、纵慧芯光半导体,探测器国产厂商有灵明光子、芯视界等,国外厂商在成熟度和可靠性更好,国内的厂商的产品性能目前已经基本接近国外供应商水平,且在价格上具有竞争优势。FPGA芯片目前国内厂商主要有紫光同创、高云半导体、复旦微电子等,在产品性能上与国外厂商还有比较大的差距,不过FPGA不是唯一选择可以通过MCU和DSP作为替代方案;在模拟芯片领域国内供应商主要包括矽力杰、圣邦微电子等,在产品成熟度和水平纯在一定差距;光学部件国内供应链已经达到或者超越国外供应链水准,且成本优势明显已经可以完全替代。中游激光雷达已经有不少国产厂商如禾赛科技、大疆、华为、速腾聚创、镭神智能等。下游国产厂商参与者也较多,无人驾驶国内有小马智行、文远知行、Momenta、百度、商汤等,服务机器人国内厂商有高仙、优必选、白犀牛等,车联网国产方案提供商有百度、大唐、金溢科技等。

 

 

激光雷达产业链

 

激光雷达产业链包括上游芯片供应、中游激光雷达整机与下游激光雷达应用。上游芯片包括激光器、光学探测器、光束操控元件、集成电路与功率器件等;中游激光雷达整机包括机械式、混合固态、固态激光雷达;下游应用包括自动驾驶、机器人、军事等。激光雷达成本的迅速下降更得益于中国相关产业链的成熟与完善,将成本迅速降低。特别是中游激光雷达已经有不少国产厂商如禾赛科技、大疆、华为、速腾聚创、镭神智能等。

 

 

国产激光雷达技术全球领先行列,价格优势明显。在机械激光雷达领域,国产厂商禾赛科技、速腾聚创等企业已经形成规模销售,且产品性能处于全球领先水平。在半固态领域华为、大疆等企业的激光雷达在售价和成本方面相比于国外厂商拥有巨大的优势。

 

 激光雷达技术发展趋势

 

激光雷达按照测距方法可以分为飞行时间(ToF)测距法、基于相干探测的FMCW测距法、以及三角测距法等,其中ToF与FMCW能够实现室外阳光下较远的测程(100~250m),是车载激光雷达的优选方案。激光雷达按照光束操纵方式可分为机械式、半固态及固态式。总体来讲,机械式目前最为成熟、产量最高,主要应用于无人驾驶,但使用寿命限制难过车规要求;微振镜、转镜、棱镜等半固态式激光雷达陆续通过车规,并已少量前装量产,近年内或形成放量;长期来看FLASH、 OPA均可能成为主导路线。

 

 

不同的厂商技术路线对比

 

从扫描方式来看,激光雷达可以分为机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达内部装配了机械旋转部件,可以实现最多360 度的扫描,但硬件成本高、量产困难;固态激光雷达在外观上看不到旋转,具体可以分为 MEMS、Flash 和 OPA。从测距方式看,主要包括 ToF和FMCW。 ToF是根据发射激光与回波信号的时间差来计算得到目标物的距离信息,而FMCW则是将发射激光的光频进行线性调制,通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差,从而间接获得飞行时间反推目标物距离。目前主流激光雷达大多采用 Tof 方案,FMCW 虽然具有灵敏度高,抗干扰能力强,功耗低等优点,但技术成熟度仍然较低。从发射光源看,主要包括 905nm和1550nm。 905nm光源使用硅材料和半导体激光器,成本较低,技术成熟度较高, 但是其穿透能力弱、探测距离近、安规测试较为严格,目前大部分主流厂商采用 905nm 光源,如Velodyne。1550nm光源使用 InGaAs材料和光纤激光器,成本较高,但其穿透能力强、探测距离远、人眼安全性高,目前Luminar、华为等少部分厂商采用。

 

 

激光雷达发展路线,资料来源:麦姆斯咨询

 

机械式激光雷达是当前自动驾驶汽车应用最主流的产品。尽管机械式激光雷达探测性能优越、技术成熟,但其高昂的成本和较短的使用寿命令其在短时间内车规级量产的可能性较低。机械式激光雷达结构精密,零件数多、组装工艺复杂、制造周期长,因此生产成本居高不下;内部含有大量可动部件,易受车辆振动影响,在行车环境下磨损严重,长期使用可靠性差,难以满足汽车厂商的要求。

 

 

一直以来,高昂的成本作为激光雷达最大痛点之一导致其难以量产,如Velodyne 在2007 年推出的64 线机械式激光雷达的售价高达8 万美元。在过去的十几年里,激光雷达供应商不断创新技术路线,争取在提升性能的同时降低成本。如大疆子公司 Livox采用的光电系统解决方案均使用经过验证且易于获得的光学元件,只需少量的激光收发模组即可取得高线束的扫描效果,极大降低了成本,其在CES 2020 上推出的Horizon 和Tele-15 两款产品分别仅需6499 元和 8999元,但却可以分别达到64 线和 128线机械式激光雷达的效果。2020 年 12月,华为首次面向行业正式发布车规级高性能激光雷达产品和解决方案,并且这款 96 线中长距激光雷达产品的成本有望降至200 美元。

 

 

FPGA vs  GPU&CPU

 

在激光雷达产业链中,FPGA芯片通常被用作激光雷达的主控芯片。激光雷达在扫描到大量讯息后,其中包含距离,方位,高度,速度,形状的各种大数据,会先传送信息给低延迟(FPGA’s 3ms vs. CPU/GPU’ s 50ms 延迟)的FPGA 或 ASIC主控芯片来做低延迟的边缘深度学习推理,如自动过滤杂讯,及时决策,反应突发状况等。虽然车厂像特斯拉开发自己的ASIC芯片来取代 FPGA,GPU, CPU, 但若是自有需求量不足,开发自用芯片的成本,风险,周期会远高于FPGA,这解释了为何赛灵思目前的FPGA产品在激光雷达主控芯片市场的占有率超过80%。国内的紫光同创推出的系列产品虽性能不敌国外领先产品,但可以满足激光雷达的需求。

 

总结

 

综合来看,激光雷达领域国外厂商布局较早,已经掌握了比较成熟的技术,且于2020年开始加快上市进程,另一方面国内厂商也紧追不舍,产品的精度和价格占据优势,且仍有初创公司不断加入,未来国内市场的竞争将会更加激烈。

 

技术路线方面,由机械向固态混合、固态发展。不管是国外还是国内的产商,当前的技术重点都放在成本低、车规级、可量产的固体激光雷达上。短期内,MEMS 雷达技术相对成熟,成本可控,最有希望得到广泛应用。中长期看, OPA、FLASH、 FMCW方案技术上更为先进,未来产业化进程决定于技术成熟度与量产能力。

 

成本方面,激光雷达的价格不断下探,由最初的数万美元逐渐降低至数百美元,如华为发布的车规级96 线中长距激光雷达产品的成本有望降至200 美元。与此同时,越来越多的激光雷达通过了车规级验证,下游车企也纷纷宣布将在量产高端车型中搭载激光雷达,激光雷达产业化进程将迎来实质加速。

 

应用层方面,应用场景逐渐丰富,从最初用于测绘和军事,逐渐发展到VR/AR、智慧交通、3D 打印、自动驾驶、机器人等,特别是L3级别以上的自动驾驶,激光雷达是必备的传感器。

 

竞争格局方面,海外企业起步较早,国内激光雷达呈百花齐放格局,初创企业禾赛科技、速腾聚创、镭神智能在机械雷达方面较为领先,并向固态雷达发展,大疆、华为等科技巨头凭借在光学光电子等领域技术优势也进入激光雷达领域,未来竞争格局将更加激烈。

 

值得一提的是,激光雷达产业链上游的部分核心元件仍被国外垄断,如FPGA、模拟芯片等,但是国产供应链厂商也在迅速发展,在产品的定制化上有较大的灵活性,价格也有一定优势。