前言：【核芯觀察】是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業(yè)架構，理清上、中、下游的各個環(huán)節(jié)，同時迅速了解各大細分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。本期【核芯觀察】，將對近年較為火熱的激光雷達產業(yè)進行梳理，從上游器件、中下游終端廠商等幾個部分來剖析激光雷達產業(yè)鏈。
一：激光雷達：自動駕駛的核心傳感器
激光雷達是通過發(fā)射激光束作為來探測目標位置、速度、結構等特征的雷達系統(tǒng)。與其他雷達系統(tǒng)的原理類似，激光雷達是向目標發(fā)射探測信號（激光束），然后將探測目標反射回來的信號與發(fā)射時的原始信號進行比較，通過一定算法獲得目標的相關信息，包括目標距離、方位、速度、甚至形狀等。對外界環(huán)境感知能力上的優(yōu)勢，也使得激光雷達在自動駕駛技術發(fā)展之初就受到了青睞。
回看激光雷達的發(fā)展歷程，最早是用于環(huán)境測繪等領域上，但自從2005開始，一位“不務正業(yè)”的音箱公司創(chuàng)始人，一種創(chuàng)新結構的激光雷達、一場自動駕駛比賽，讓激光雷達真正進入了新篇章。
主業(yè)原本是做音箱的Velodyne，其創(chuàng)始人DavidHall在2004年參加了DARPA自動駕駛挑戰(zhàn)賽，當時DavidHall改裝了一輛皮卡，采用全景攝像頭作為自動駕駛的傳感器。有意思的是，在2004年第一屆DARPA自動駕駛挑戰(zhàn)賽上，沒有一輛參賽車輛最終完成比賽。
但在這次比賽中，DavidHall在與其他參賽選手的交流中，第一次知道了激光雷達的存在。隨后的一年里，DavidHall創(chuàng)新性地開發(fā)出360°旋轉式激光雷達，并在2005年應用到自動駕駛汽車上再次參賽。雖然最終因為車輛機械故障而退賽，但這個安裝在車頂?shù)木薮髠鞲衅?，令激光雷達一時間受到廣泛關注，同時Velodyne也從此轉型潛心開發(fā)激光雷達。
到了2007年的DARPA城市挑戰(zhàn)賽，最終完賽的7輛車中，有6輛搭載了激光雷達。自此，激光雷達，也正式與自動駕駛建立起密不可分的關系。
2018年，奧迪A8提供了激光雷達選配選項，成為了全球首款搭載激光雷達的量產乘用車型，但由于當時世界各國對自動駕駛法規(guī)還未完善，因此在絕大部分地區(qū)這款車型無法啟用L3級自動輔助駕駛。
2021年被認為是激光雷達上車元年，小鵬P5成為首款量產搭載激光雷達的純電智能汽車，隨后多款搭載激光雷達的量產車型陸續(xù)上市，包括LucidAir、蔚來ET7等等。而伴隨著ADAS、robotaxi等的持續(xù)滲透，激光雷達需求也會迎來高速增長階段。
IDC預測，全球自動駕駛汽車合計出貨量將從2020年的2773.5萬輛增至2024年的5424.7萬輛，滲透率預計超過5成，2020-2024年的復合年均增長率達18.3%，其中L3級別2024年出貨量或將達到約69萬輛。
而2022年一季度，中國自動駕駛汽車市場上，L2級自動駕駛乘用車滲透率就高達23.2%，較2021年一季度的7.5%獲得巨幅提升。
而根據(jù)沙利文預測，受無人駕駛車隊規(guī)模擴張、激光雷達在ADAS中滲透率增加等因素推動，激光雷達整體市場預計將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，至2025年全球市場規(guī)模為135.4億美元（約合914億元）；其中，中國激光雷達市場規(guī)模將達到43.1億美元（約合291億元）。
二：激光雷達技術路線、核心部件匯總
技術路線：掃描方式、測距方式
首先，從掃描方式上分類，激光雷達目前主要分為：機械旋轉式、棱鏡、轉鏡、MEMS振鏡、OPA、Flash等。其中OPA、FLASH兩種是實現(xiàn)固態(tài)激光雷達技術路線，而目前主流的混合固態(tài)激光雷達，則采用了棱鏡、轉鏡、MEMS振鏡等幾種技術實現(xiàn)。
機械旋轉式：通過將整個激光發(fā)射模塊和接收模塊進行橫向360°旋轉來獲得全向的覆蓋面。激光線束豎向排列形成一個面，而線數(shù)比如16線、64線就是豎向排列激光線束的數(shù)量，數(shù)量越多意味著分辨率越高，信息量也更大，因此我們在自動駕駛路測的車輛中能夠經常看到這種類型的激光雷達。但機械旋轉式激光雷達體積大、調試復雜、成本高、規(guī)模量產難、且由于機械結構特性導致難以滿足車規(guī)級要求，壽命較短。
主要廠商：Velodyne、禾賽科技、速騰聚創(chuàng)
轉鏡：轉鏡分為一維轉鏡和二維轉鏡。一維轉鏡通過一個旋轉的多面體反射鏡，將激光反射到不同的方向，從而實現(xiàn)一定的視場范圍；二維轉鏡顧名思義是內部集成了兩個轉鏡，一個多邊棱鏡負責橫向旋轉，一個負責縱向翻轉，這樣可以實現(xiàn)用一束激光就能實現(xiàn)兩個方向維度上的掃描。轉鏡激光雷達體積小、成本低，與機械式激光雷達效果一致，是目前混合固態(tài)雷達的主流路線。但畢竟也存在機械結構，且機械運動頻率較高，壽命同樣不夠理想。
主要廠商：法雷奧Valeo、華為、Velodyne、鐳神智能
MEMS振鏡：采用集成在硅基芯片上的反射鏡在前后左右各一對扭桿之間以一定諧波振動，將激光光束反射到不同角度，實現(xiàn)一定范圍內的掃描。這種技術擺脫了機械運動部件的裝配，提高可靠性，更易實現(xiàn)規(guī)模量產。同時可以降低激光雷達系統(tǒng)尺寸，激光發(fā)射器與探測器數(shù)量減少，能大幅降低成本。不過，有限的光學口徑和掃描角度令測距和視場角受到限制，大視場角需要拼接，對算法要求較高。另外抗沖擊性能、可靠性也存在一些問題。
主要廠商：速騰聚創(chuàng)、Innoviz、法雷奧Valeo
轉鏡+MEMS振鏡：在二維轉鏡的基礎上加入振鏡，轉鏡負責橫向，振鏡負責縱向，可以實現(xiàn)更大掃描區(qū)域，頻率更高，但價格同樣也較高。
主要廠商：Innovusion圖達通、Luminar
棱鏡：通過控制兩面楔形棱鏡的相對轉速，激光束通過兩次折射，實現(xiàn)區(qū)域激光掃描覆蓋。棱鏡激光雷達累積的掃描圖案形狀像花瓣，中心點掃描次數(shù)密集，圓的邊緣則相對稀疏，掃描時間持久才能豐富圖像，所以需要加入多個激光雷達共工作，以便達到更高的效果。棱鏡可以通過增加激光線束和功率實現(xiàn)高精與長距離探測，但結構復雜、體積更難控制，軸承與襯套磨損風險較大。目前也暫時只有Livox采用該技術，已經在小鵬P5上實現(xiàn)量產上車。
主要廠商：Livox
Flash：Flash的結構非常簡單粗暴，原理就是通過高密度的激光源陣列，發(fā)射出能夠覆蓋一片區(qū)域的激光，用高靈敏度的接收器來構建圖像。這種形式的激光雷達完全沒有機械活動部件，體積小、精度高、掃描速度快。但容易形成旁瓣干擾、分散激光能量，影響探測距離和分辨率。
主要廠商：ibeo、LeddarTech、亮道智能
OPA：OPA激光雷達的原理是，通過多個激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過調節(jié)發(fā)射陣列中各個單元的相位差，來改變激光光束的發(fā)射角度，在設定方向上產生互相加強的干涉從而實現(xiàn)高強度的指向光束，完成掃描。
一直以來，OPA激光雷達進展緩慢的一個重要原因是旁瓣效應難以解決。旁瓣效應是由于光學衍射產生的一種鄰近效應。在OPA激光雷達上，光束通過OPA器件后的光束合成實際是由光波的相互干涉形成的，因此容易形成陣列干擾，令激光能量被分散，在最終出現(xiàn)光學偽影等問題。也正是因為這種原因，OPA視場和光束質量之間難以平衡。
主要廠商：Quanergy、洛微科技、力策科技
MMT（微動技術）：MMT是一種用于激光雷達的獨特成像技術，采用類似揚聲器的音圈技術，專有的光學陣列會連接到音圈，當音圈通電時會產生微動，借助種微動激光雷達就能夠掃描圖像。這種設計具有最簡單的光路，可產生最高的效率和最少的組件數(shù)量，體積小的同時內部機構件幾乎不會有損耗。
此外，相比于其他激光雷達，MMT技術的激光雷達更強調分辨率，特別是垂直方向分辨率可以達到市面上激光雷達的4到5倍。MMT技術由激光雷達廠商Cepton首創(chuàng)，目前也僅有Cepton采用這種技術。
主要廠商：Cepton
激光雷達的測距，主要有兩種形式，分別是ToF和FMCW。ToF也就是飛行時間，通過直接測量發(fā)射激光和回波信號的時間差計算出距離信息，探測精度高，響應速度快。ToF也是目前市場應用最廣泛，最成熟的測距方式。
FMCW相干探測方法通過將發(fā)射激光的光頻進行線性調制，將回波信號與參考光進行相干得到頻率差，從而獲得飛行時間反推目標物體距離。FMCW激光雷達具有可直接測量速度信息以及抗環(huán)境光和其他激光雷達干擾等優(yōu)勢。FMCW與OPA結合的激光雷達被認為是未來的“終極方案”。
核心部件
激光雷達主要由發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊、信號控制及處理（主控）模塊四個部分構成。
來源：禾賽科技招股書
發(fā)射模塊：邊發(fā)射EEL、垂直腔面發(fā)射VCSEL、脈沖光纖激光器
接收模塊：雪崩二極管APD、單電子雪崩二極管SPAD、硅光電倍增管SiPM、PIN二極管
掃描模塊：MEMS微振鏡、OPA硅光芯片、
主控模塊：ADC、FPGA、SoC等
激光雷達的BOM成本主要是三個部分：硬件電子模塊、光學模塊、結構模塊。其中硬件電子模塊約占總成本的50%-60%，包括發(fā)射器和接收器各自配套的PCB板、FPGA板主要負責運算、加上以及主控板和電源模組；光學模塊占總成本的10%-15%，包括反射鏡、透鏡、棱鏡、窗口玻璃等；結構模塊約占總成本的25%，包括支撐光學模塊和硬件模塊內部的一些支架，包括電機、軸承、支架、殼體等。
三：激光雷達產業(yè)鏈梳理
上游：
1、激光器和探測器：半導體激光器主要的上游企業(yè)以海外為主，包括艾邁斯歐司朗、Lumentum、HAMAMATSU（濱松光子）、II-VI等；國內的供應商有縱慧芯光、瑞波光電、華芯半導體、長江華芯等。而光纖激光器主要供應商有海外的Luminar、Lumibird、IPG光電、昂納、以及國內的鐳神智能等。
探測器方面，海外供應商主要有艾邁斯歐司朗、安森美、Firstsensor、HAMAMATSU、索尼等；國內有量芯集成、靈明光子、芯視界微電子、光迅科技、阜時科技等。
2、FPGA：FPGA通常被用作激光雷達的主控芯片，海外主流的供應商有賽靈思（AMD收購）、Altera（英特爾收購）、Lattice、Achronix等；國內主要的供應商有紫光同創(chuàng)、智多晶微電子、復旦微電子、安路科技、高云半導體等。
在產品性能上，目前國內廠商仍大幅落后于海外廠商，但國內產品的邏輯資源規(guī)模和高速接口性能，也能夠滿足激光雷達的需求。不過在禾賽科技招股書中，禾賽認為FPGA不是激光雷達主控芯片的唯一選擇，也可以選用高性能MCU、DSP代替。MCU的國際主流供應商有瑞薩、英飛凌等，DSP的主流供應商有TI、ADI等。
另外FPGA雖然是目前主流方案，但隨著對性能及整體系統(tǒng)需求的提升，集成度更高的SoC可能會在未來激光雷達上受到廣泛應用，比如集成了光電探測器、前端電路、波形數(shù)字化、波形算法處理、激光脈沖控制等功能模塊的SoC。激光雷達SoC一般由激光雷達廠商自研，目前禾賽科技也在大力布局。
3、模擬芯片：主要是高精度ADC，在發(fā)光控制、光電信號轉換，以及電信號實時處理等關鍵子系統(tǒng)上都需要用到。海外主流的供應商有TI、ADI等，國內矽力杰、圣邦微、芯?？萍嫉榷伎梢怨嚓P芯片，但與海外龍頭產品在性能上有一些差距。
4、光學部件：包括有MEMS振鏡、各種光學鏡片、OPA硅光芯片等。MEMS振鏡主要由海外廠商供應，HAMAMTSU、英飛凌、ST等；國內波弗光電、知微傳感、英唐智控、鐳神智能等都有相關產品布局或已經被應用。
光學鏡片方面，舜宇光電、水晶光電、炬光科技、滕景科技等國內廠商已經有成熟的技術，國內供應鏈在光學部件已經達到國際領先水平，且在成本方面更具競爭優(yōu)勢，可以完全替代國外供應鏈并滿足產品加工的需求。
OPA硅光芯片目前還未有量產產品出現(xiàn)，海外主要是Quanergy在進行研發(fā)，國內洛微科技、光迅科技等都在布局。受限于芯片進展緩慢，OPA激光雷達普遍預計要到2025年才會實現(xiàn)規(guī)模量產。
中下游：
法雷奧valeo：2021年占全球激光雷達市場份額28%，排名第一。最早在2018年奧迪A8上首次實現(xiàn)激光雷達量產上車，目前已經上車的SCALA1/2代采用轉鏡式，最新一代產品采用MEMS振鏡。
Velodyne：自動駕駛激光雷達開創(chuàng)者，目前產品線有機械旋轉式和轉鏡式激光雷達。但近年市場上涌現(xiàn)的激光雷達公司，令其產品競爭力大幅削弱，且價格相對友商較高，2021年市場份額僅占3%。
速騰聚創(chuàng)：2021年占全球激光雷達市場份額10%排名第二，產品線涵蓋機械旋轉式、MEMS振鏡式。其中MEMS振鏡激光雷達已經獲得多家主機廠訂單，目前已經在廣汽埃安LXPlus、智己L7、小鵬G9、路特斯Eletre、LucidAir等車型上被搭載。
Livox：大疆旗下公司，2021年市占率7%，是目前唯一采用了棱鏡式掃描的激光雷達廠商，目前車規(guī)激光雷達產品已經在小鵬P5上量產搭載。
Luminar：2021年市占率7%，是市場上最早采用1550nm光纖激光器作為光源的激光雷達廠商。采用轉鏡+MEMS振鏡二維掃描方案，下半年即將上市的上汽非凡R7將搭載采用該方案的IRIS激光雷達。
Innoviz：2021年市占率4%，產品采用MEMS振鏡掃描方案，主要與Tier1合作，主機廠方面目前與寶馬合作，在寶馬iX車型上搭載。
Ibeo：2021年市占率3%，旗下產品有機械旋轉式和Flash固態(tài)兩種，固態(tài)Flash激光雷達已經與長城簽下定點，未來會在一款旗艦車型上搭載ibeo的Flash固態(tài)激光雷達。
Innovusion圖達通：2021年市占率3%，技術路線與Luminar相同，采用1550nm光源，轉鏡+MEMS振鏡二維掃描方案。目前其Falcon激光雷達已經在蔚來ET7、ES7車型上量產搭載。
禾賽科技：2021年市占率3%，產品線涵蓋機械旋轉式、轉鏡式激光雷達。禾賽AT128混合固態(tài)激光雷達已經在理想L9上實現(xiàn)量產搭載。
華為：2021年市占率3%，目前只有一款96線轉鏡式激光雷達，在極狐阿爾法SHI版、哪吒S、阿維塔11上實現(xiàn)量產搭載。
Cepton：Cepton與Livox類似，走了一條與市面上其他技術產品不同的技術路線。Cepton采用了MMT（MicroMotionTechnology微動技術）作為掃描機構，相比市面上混合固態(tài)激光雷達體積更小，可靠性更高。目前Cepton已綁定Tier1，拿下通用汽車的大批量訂單。
Aeva：近期Aeva宣布首批AeriesII4D激光雷達傳感器已經成功投產并向戰(zhàn)略客戶交付。AeriesII采用了FMCW測距技術，并將所有關鍵傳感組件（包括發(fā)射器、光學元件和接收器）集成在一個緊湊模塊中的硅光子芯片上，這使得FMCW激光雷達更容易實現(xiàn)規(guī)?；慨a，體積更小。但Aeva的FMCW激光雷達真正量產還要到2025年左右才能實現(xiàn)。
Quanergy：Quanergy是最早進入OPA激光雷達領域的公司，今年5月，Quanergy公布了其OPA激光雷達實現(xiàn)250米的檢測距離，而15個月前這個數(shù)字是100米。據(jù)Quanergy官方介紹，其OPA技術基于CMOS工藝兼容的硅光芯片，可以實現(xiàn)大規(guī)模生產。但截至目前，Quanergy的S系列OPA激光雷達依然難以達到大規(guī)模量產的同時滿足客戶要求。據(jù)稱該公司的OPA激光雷達預計要到2025年后才實現(xiàn)規(guī)模量產。
四：總結
激光雷達在自動駕駛的應用，最大的阻礙可以總結成：成本、使用壽命、體積。而目前來看，激光雷達的可靠性主要由收發(fā)系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)決定，相應模塊的供應鏈越成熟，成本越低，越易通過車規(guī)認證。
縱觀激光雷達市場，現(xiàn)階段905nm+轉鏡/MEMS振鏡+ToF的方案最成熟，也是主流被應用于量產車型上的激光雷達普遍方案。隨著低成本、高產能、高性能等需求，未來純固態(tài)激光雷達可能會在2025年后陸續(xù)成為主流。業(yè)界主流觀點認為，OPA+FMCW是未來激光雷達的終極解決方案，兼顧易于大規(guī)模生產、高性能等優(yōu)勢，并受益于硅光工藝發(fā)展實現(xiàn)光電器件的快速降本。
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