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激光雷達被廣泛用于無人駕駛汽車和機器人領(lǐng)域，被譽為廣義機器人的“眼睛”，是一種通過發(fā)射激光來測量物體與傳感器之間精確距離的主動測量裝置。激光雷達通過激光器和探測器組成的收發(fā)陣列，結(jié)合光束掃描，可以對廣義機器人所處環(huán)境進行實時感知，獲取周圍物體的精確距離及輪廓信息，以實現(xiàn)避障功能；同時，結(jié)合預(yù)先采集的高精地圖，機器人在環(huán)境中通過激光雷達的定位精度可達厘米量級，以實現(xiàn)自主導航。
激光雷達主流的三大應(yīng)用場景
?全球激光雷達發(fā)展趨勢和市場現(xiàn)狀
激光雷達應(yīng)用范圍廣，可以用于無人駕駛、ADAS、服務(wù)機器人、車聯(lián)網(wǎng)等各個領(lǐng)域，特別是自動駕駛技術(shù)的成熟發(fā)展與推動創(chuàng)造了對激光雷達市場的龐大需求。激光雷達是L3?及以上自動駕駛汽車的關(guān)鍵傳感器，伴隨L3?汽車逐步量產(chǎn)，激光雷達將迎來市場放量。L3、?L4車輛分別平均搭載激光雷達數(shù)為1?個、2-3個、?4-6個，伴隨成本逐漸下降、預(yù)計未來激光雷達將滲透至L2?車輛。
自2017?年奧迪A8?首次搭載SCALA?的激光雷達后，2021年多款搭載激光雷達的新車型發(fā)布，除了蔚來、小鵬、極狐等造車新勢力，更有奔馳、本田等傳統(tǒng)車廠實現(xiàn)激光雷達上車，預(yù)計這些車型將于2021?年底開始陸續(xù)量產(chǎn)交付，可以期待2022?年成為激光雷達放量元年。
根據(jù)沙利文的統(tǒng)計及預(yù)測，未來受到?L3-L5自動駕駛普及，車路協(xié)同的智慧城市，專業(yè)服務(wù)機器人等領(lǐng)域需求的拉動，全球激光雷達市場于2019－?2025年的復合增長率達64.5%，從2020年的?10-12億美元，增長超過?10倍以上到?2025年的?135.4億美元。
根據(jù)另一研究機構(gòu)TrendForce?的預(yù)測，2030?年全球激光雷達前裝量產(chǎn)市場出貨量將超過1.2?億個，2021-2030?年復合出貨量增長率達120%，2030年全球激光雷達前裝量產(chǎn)市場規(guī)模將達233?億美元，2021-2030?年復合增長率近90%。按照全球9000萬輛汽車、一輛車搭載4個激光雷達、單個激光雷達售價500美元計算，Luminar預(yù)計全球激光雷達總市場規(guī)模達1800億美元。
全球激光雷達市場規(guī)模(億美元)，來源：Frost & Sullivan
中國激光雷達市場規(guī)模（單位：億美元）,資料來源： 沙利文研究
國外的激光雷達產(chǎn)業(yè)起步較早，競爭日益激烈，明星企業(yè)都有自己的獨特優(yōu)勢技術(shù)，同時在2020年紛紛開始上市之路。其中Velodyne、Luminar?已于2020?年通過借殼方式實現(xiàn)上市，Aeva、Innoviz?以及Ouster?計劃于2021?年上市。
海外激光雷達主要廠商，資料來源：傳感器專家網(wǎng)
其中Velodyne在機械式雷達方面具有顯著優(yōu)勢，占有較大份額；Luminar?在?MEMS激光雷達方面較為領(lǐng)先；Aeva?是唯一采用FMCW?技術(shù)路徑的廠商；Innoviz、Ouster?主要聚焦固態(tài)激光雷達研發(fā)。
海外激光雷達廠商技術(shù)對比，資料來源：汽車之心
?中國激光雷達產(chǎn)業(yè)情況
盡管國外企業(yè)具有先發(fā)優(yōu)勢，但國產(chǎn)企業(yè)在成本和精度上相比國外同檔次產(chǎn)品依然擁有優(yōu)勢。
現(xiàn)在固態(tài)激光雷達領(lǐng)域還沒有公認的成熟解決方案，所有企業(yè)基本是齊頭并進的競爭，所以這個領(lǐng)域國產(chǎn)廠商有望超車。以采用FMCW?技術(shù)的公司為例，目前有3家公司采取該技術(shù)：光勺科技、國科光芯、洛微科技。據(jù)公司官方數(shù)據(jù)，光勺科技計劃2021年第4季度實現(xiàn)量產(chǎn)；洛微科技則已初步完成樣品設(shè)計。機械旋轉(zhuǎn)雷達領(lǐng)域，主要是速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、鐳神智能三家明星企業(yè)，但目前已經(jīng)開始向前裝固態(tài)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。
國內(nèi)滿足車規(guī)級要求的部分激光雷達產(chǎn)品介紹
主要企業(yè)技術(shù)路徑及應(yīng)用場景統(tǒng)計,資料來源： 青桐資本
從產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，中國激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈完備，各環(huán)節(jié)都有參與者，跟隨國際領(lǐng)先廠商發(fā)展。國外廠商在上游光源、探測器和光束操縱等領(lǐng)域具有優(yōu)勢。上游激光器國產(chǎn)廠商有瑞波光電、縱慧芯光半導體，探測器國產(chǎn)廠商有靈明光子、芯視界等，國外廠商在成熟度和可靠性更好，國內(nèi)的廠商的產(chǎn)品性能目前已經(jīng)基本接近國外供應(yīng)商水平，且在價格上具有競爭優(yōu)勢。FPGA芯片目前國內(nèi)廠商主要有紫光同創(chuàng)、高云半導體、復旦微電子等，在產(chǎn)品性能上與國外廠商還有比較大的差距，不過FPGA不是唯一選擇可以通過MCU和DSP作為替代方案；在模擬芯片領(lǐng)域國內(nèi)供應(yīng)商主要包括矽力杰、圣邦微電子等，在產(chǎn)品成熟度和水平純在一定差距；光學部件國內(nèi)供應(yīng)鏈已經(jīng)達到或者超越國外供應(yīng)鏈水準，且成本優(yōu)勢明顯已經(jīng)可以完全替代。中游激光雷達已經(jīng)有不少國產(chǎn)廠商如禾賽科技、大疆、華為、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能等。下游國產(chǎn)廠商參與者也較多，無人駕駛國內(nèi)有小馬智行、文遠知行、Momenta、百度、商湯等，服務(wù)機器人國內(nèi)廠商有高仙、優(yōu)必選、白犀牛等，車聯(lián)網(wǎng)國產(chǎn)方案提供商有百度、大唐、金溢科技等。
激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈
激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈包括上游芯片供應(yīng)、中游激光雷達整機與下游激光雷達應(yīng)用。上游芯片包括激光器、光學探測器、光束操控元件、集成電路與功率器件等；中游激光雷達整機包括機械式、混合固態(tài)、固態(tài)激光雷達；下游應(yīng)用包括自動駕駛、機器人、軍事等。激光雷達成本的迅速下降更得益于中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟與完善，將成本迅速降低。特別是中游激光雷達已經(jīng)有不少國產(chǎn)廠商如禾賽科技、大疆、華為、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能等。
國產(chǎn)激光雷達技術(shù)全球領(lǐng)先行列，價格優(yōu)勢明顯。在機械激光雷達領(lǐng)域，國產(chǎn)廠商禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)已經(jīng)形成規(guī)模銷售，且產(chǎn)品性能處于全球領(lǐng)先水平。在半固態(tài)領(lǐng)域華為、大疆等企業(yè)的激光雷達在售價和成本方面相比于國外廠商擁有巨大的優(yōu)勢。
?激光雷達技術(shù)發(fā)展趨勢
激光雷達按照測距方法可以分為飛行時間（ToF）測距法、基于相干探測的FMCW測距法、以及三角測距法等，其中ToF與FMCW能夠?qū)崿F(xiàn)室外陽光下較遠的測程（100~250m），是車載激光雷達的優(yōu)選方案。激光雷達按照光束操縱方式可分為機械式、半固態(tài)及固態(tài)式?？傮w來講，機械式目前最為成熟、產(chǎn)量最高，主要應(yīng)用于無人駕駛，但使用壽命限制難過車規(guī)要求；微振鏡、轉(zhuǎn)鏡、棱鏡等半固態(tài)式激光雷達陸續(xù)通過車規(guī)，并已少量前裝量產(chǎn)，近年內(nèi)或形成放量；長期來看FLASH、?OPA均可能成為主導路線。
不同的廠商技術(shù)路線對比
從掃描方式來看，激光雷達可以分為機械式激光雷達和固態(tài)激光雷達。機械式激光雷達內(nèi)部裝配了機械旋轉(zhuǎn)部件，可以實現(xiàn)最多360?度的掃描，但硬件成本高、量產(chǎn)困難；固態(tài)激光雷達在外觀上看不到旋轉(zhuǎn)，具體可以分為?MEMS、Flash?和?OPA。從測距方式看，主要包括?ToF和FMCW。?ToF是根據(jù)發(fā)射激光與回波信號的時間差來計算得到目標物的距離信息，而FMCW則是將發(fā)射激光的光頻進行線性調(diào)制，通過回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離。目前主流激光雷達大多采用?Tof?方案，F(xiàn)MCW?雖然具有靈敏度高，抗干擾能力強，功耗低等優(yōu)點，但技術(shù)成熟度仍然較低。從發(fā)射光源看，主要包括?905nm和1550nm。?905nm光源使用硅材料和半導體激光器，成本較低，技術(shù)成熟度較高， 但是其穿透能力弱、探測距離近、安規(guī)測試較為嚴格，目前大部分主流廠商采用?905nm?光源，如Velodyne。1550nm光源使用?InGaAs材料和光纖激光器，成本較高，但其穿透能力強、探測距離遠、人眼安全性高，目前Luminar、華為等少部分廠商采用。
激光雷達發(fā)展路線，資料來源：麥姆斯咨詢
機械式激光雷達是當前自動駕駛汽車應(yīng)用最主流的產(chǎn)品。盡管機械式激光雷達探測性能優(yōu)越、技術(shù)成熟，但其高昂的成本和較短的使用壽命令其在短時間內(nèi)車規(guī)級量產(chǎn)的可能性較低。機械式激光雷達結(jié)構(gòu)精密，零件數(shù)多、組裝工藝復雜、制造周期長，因此生產(chǎn)成本居高不下；內(nèi)部含有大量可動部件，易受車輛振動影響，在行車環(huán)境下磨損嚴重，長期使用可靠性差，難以滿足汽車廠商的要求。
一直以來，高昂的成本作為激光雷達最大痛點之一導致其難以量產(chǎn)，如Velodyne?在2007?年推出的64?線機械式激光雷達的售價高達8?萬美元。在過去的十幾年里，激光雷達供應(yīng)商不斷創(chuàng)新技術(shù)路線，爭取在提升性能的同時降低成本。如大疆子公司?Livox采用的光電系統(tǒng)解決方案均使用經(jīng)過驗證且易于獲得的光學元件，只需少量的激光收發(fā)模組即可取得高線束的掃描效果，極大降低了成本，其在CES 2020?上推出的Horizon?和Tele-15?兩款產(chǎn)品分別僅需6499?元和?8999元，但卻可以分別達到64?線和?128線機械式激光雷達的效果。2020?年?12月，華為首次面向行業(yè)正式發(fā)布車規(guī)級高性能激光雷達產(chǎn)品和解決方案，并且這款?96?線中長距激光雷達產(chǎn)品的成本有望降至200?美元。
FPGA vs??GPU&CPU
在激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈中，F(xiàn)PGA芯片通常被用作激光雷達的主控芯片。激光雷達在掃描到大量訊息后，其中包含距離，方位，高度，速度，形狀的各種大數(shù)據(jù)，會先傳送信息給低延遲（FPGA’s 3ms vs. CPU/GPU’ s 50ms?延遲）的FPGA?或?ASIC主控芯片來做低延遲的邊緣深度學習推理，如自動過濾雜訊，及時決策，反應(yīng)突發(fā)狀況等。雖然車廠像特斯拉開發(fā)自己的ASIC芯片來取代?FPGA,GPU, CPU,?但若是自有需求量不足，開發(fā)自用芯片的成本，風險，周期會遠高于FPGA，這解釋了為何賽靈思目前的FPGA產(chǎn)品在激光雷達主控芯片市場的占有率超過80%。國內(nèi)的紫光同創(chuàng)推出的系列產(chǎn)品雖性能不敵國外領(lǐng)先產(chǎn)品，但可以滿足激光雷達的需求。
總結(jié)
綜合來看，激光雷達領(lǐng)域國外廠商布局較早，已經(jīng)掌握了比較成熟的技術(shù)，且于2020年開始加快上市進程，另一方面國內(nèi)廠商也緊追不舍，產(chǎn)品的精度和價格占據(jù)優(yōu)勢，且仍有初創(chuàng)公司不斷加入，未來國內(nèi)市場的競爭將會更加激烈。
技術(shù)路線方面，由機械向固態(tài)混合、固態(tài)發(fā)展。不管是國外還是國內(nèi)的產(chǎn)商，當前的技術(shù)重點都放在成本低、車規(guī)級、可量產(chǎn)的固體激光雷達上。短期內(nèi)，MEMS?雷達技術(shù)相對成熟，成本可控，最有希望得到廣泛應(yīng)用。中長期看，?OPA、FLASH、?FMCW方案技術(shù)上更為先進，未來產(chǎn)業(yè)化進程決定于技術(shù)成熟度與量產(chǎn)能力。
成本方面，激光雷達的價格不斷下探，由最初的數(shù)萬美元逐漸降低至數(shù)百美元，如華為發(fā)布的車規(guī)級96?線中長距激光雷達產(chǎn)品的成本有望降至200?美元。與此同時，越來越多的激光雷達通過了車規(guī)級驗證，下游車企也紛紛宣布將在量產(chǎn)高端車型中搭載激光雷達，激光雷達產(chǎn)業(yè)化進程將迎來實質(zhì)加速。
應(yīng)用層方面，應(yīng)用場景逐漸豐富，從最初用于測繪和軍事，逐漸發(fā)展到VR/AR、智慧交通、3D?打印、自動駕駛、機器人等，特別是L3級別以上的自動駕駛，激光雷達是必備的傳感器。
競爭格局方面，海外企業(yè)起步較早，國內(nèi)激光雷達呈百花齊放格局，初創(chuàng)企業(yè)禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能在機械雷達方面較為領(lǐng)先，并向固態(tài)雷達發(fā)展，大疆、華為等科技巨頭憑借在光學光電子等領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢也進入激光雷達領(lǐng)域，未來競爭格局將更加激烈。
值得一提的是，激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈上游的部分核心元件仍被國外壟斷，如FPGA、模擬芯片等，但是國產(chǎn)供應(yīng)鏈廠商也在迅速發(fā)展，在產(chǎn)品的定制化上有較大的靈活性，價格也有一定優(yōu)勢。
