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五彩晶圆(初级)

车载激光雷达 [复制链接]

本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-10 16:37 编辑

导读

 

激光雷达作为L3及以上级别智能驾驶的核心传感器,同时也属于汽车智能化领域价值量较大的增量产品。

 

文章分为五部分,从激光雷达市场情况展开,重点分析激光雷达系统层、零部件层,分析产业链环节现状及机会;最后分析降本路径、发展趋势。

 

目录

一、 激光雷达市场情况

二、 激光雷达系统层分析

三、 激光雷达零部件层分析

四、 激光雷达降本路径分析

五、 激光雷达发展趋势

 

 

激光雷达市场情况

(一)激光雷达上车必要性

从技术方案角度来看,激光雷达属于推进智能驾驶到 L3级及以上的核心传感器。

摄像头在逆光或光影复杂的情况下视觉效果较差,毫米波雷达对静态物体识别效果差,超声波雷达测量距离有限且易受恶劣天气的影响,因此单独依靠摄像头或毫米波雷达的方案去实现智能驾驶是存在缺陷的,而激光雷达可探测多数物体(含静态物体)、探测距离相对更长( 0-300 米)、精度高(5cm),且可构建环境 3D 模型、实时性好,是智能驾驶 L3级及以上的核心传感器。

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• 摄像头:属于被动器件。优点是分辨率高、可以探测到物体的质地与颜色,采集信息丰富;缺点主要是摄像头受光照、环境影响十分大,在黑夜、雨雪、大雾等能见度较低的情况下,识别率大幅降低,且由于缺乏深度信息、较难实现3D建模(双目可以实现模糊的3D图像,但无法应用于自动驾驶)。因此摄像头获取的图像信息将主要负责交通标志识别等领域。

• 毫米波雷达:属于主动器件。优点是属于全天候雷达,不受恶劣天气影响,可以探测物体的距离和速度;缺点是对横向目标敏感度低、对小物体检测效果不佳。在智能驾驶L2级别已广泛应用。

• 超声波雷达:属于主动器件。优点是测距原理简单,成本低,制作方便,短距离测量中具有优势,探测范围在 0-3 米之间;缺点是传输速度受天气影响较大,不能精确测距。主要用于泊车系统、辅助刹车等。

技术脉络上呈现多传感器融合趋势。各种传感器原理和功能各不相同,在不同场景里发挥各自的优势,难以互相替代。随着智能驾驶从L2 到 L3 级及以上不断推进,激光雷达凭借其精度高、探测距离长、可 3D 环境建模的特性,重要性越发凸显。

MEMS、转镜方案基本过车规,限制其大规模应用主要是成本。当前单颗前向激光雷达成本基本需要5000元。而车企对L3智能驾驶单车整套激光雷达系统(前雷达+角雷达)成本包容度基本在1万元左右。

(二)激光雷达上车情况

1、分品牌看,新势力主打智能驾驶,激光雷达上车进展最快,自主品牌对智能驾驶的布局节奏快于合资、外资品牌。

2、在车型价格上,新势力和自主品牌搭载激光雷达的电动智能车型的价格带位于 15-40 万元之间,相比之下外资品牌丰田 Mirai、奔驰 S 级等车型的起售价均在 50 万元以上。

3、单车搭载激光雷达数量逐步增加至4颗

 

激光雷达数量亦与采取的技术路线相关,如MEMS方案,有的视场角小,前向就需装载2个;有的装上较便宜的侧向补盲雷达。但总体上,车企对单车激光雷达总体成本在1万元以下。 

4、激光雷达装车量

2021年国内激光雷达装车量不到1万套(数据来自高工智能汽车2022年2月发布的文章)。这1万,预计主要的出货量为车型测试或商用车应用;国内2021年有应用激光雷达实现量产的乘用车车型仅有小鹏P5(顶配才配置激光雷达,搭载率较低)、华为极狐阿尔法S(2021年极狐全系销量仅5000台)。

2022年国内车载激光雷达保守也有20-30万台。2021年国内众多新发布的车型开始上激光雷达(蔚来、小鹏、北汽极狐、上汽智己、上汽飞凡、广汽埃安、长安阿维塔、长城沙龙、理想、高合、威马),基本都在2022年开始量产。

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(三)主流激光雷达厂商情况

从技术路线上,目前能上车拿到定点的基本是MEMS、转镜方案。

目前已拿到乘用车定点车型的激光雷达厂商主要包括国外法雷奥、大陆、Ibeo、Innoviz、Luminar,国内速腾、禾赛、大疆览沃、华为、图达通。

国内车载激光雷达厂商处于领先的主要是MEMS速腾聚创,属于国内top1,拿到近40个定点项目,2021年H1开始批量交付;转镜禾赛,代表产品AT128拿到超过150万套订单,2022年下半年大批量交付;图达通,大客户蔚来,2022年Q1开始交付,预计1-2年内因蔚来ET7/ET5标配,图达通出货量会处于前列;大疆览沃棱镜方案市场接受度不高,有消息称在开发其他方案的车载激光雷达;华为基于其整体方案,有一定的客户基础,但产品量产进展较慢,不达预期,2022年应该可以供应上车。

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主流激光雷达一览

图片来源:滴水石开

(四)激光雷达竞争格局

关于未来的竞争格局:

• 从高技术壁垒、车规级大规模量产能力壁垒、先发优势三方面来看,车载激光雷达市场仍是个集中度偏高的市场。

• 从技术路线上,有行业专家认为,2022年车规级市场,转镜、MEMS各占40%,其他技术路线占20%。未来几年转镜+MEMS仍是主流方案。

 

激光雷达系统层分析

激光雷达按照扫描系统的差异,可以分为机械式、混合固态(转镜式、棱镜式、MEMS振镜)、固态(FLASH、OPA)等。根据测距方法的差异,可以分为TOF激光雷达、FMCW激光雷达。

(一) 扫描系统方案分析

1、机械式方案

(1)技术原理:通过电机带动收发和扫描模块进行整体旋转,实现对空间水平 360°视场范围的扫描。

(2)方案优缺点: 

a. 优点:旋转由电机控制,可以长时间内保持转速稳定,每次扫描的速度线性,从而可以对周围环境进行精度够高并且清晰稳定的360度环境重构,技术成熟。

b. 缺点:价格高(性能的提升依靠增加收发模块来实现高线束,导致了整套系统元器件成本非常高)、体积大、难以过车规(平均失效时间1000h-3000h,而汽车厂商的要求是至少13000h)、可靠性差(内含大量可动部件,在行车环境下磨损严重)、可量产性差(工艺复杂、组装困难)等。 

(3)应用领域:车载领域应用主要是自动驾驶开发、Robotaxi;而在非车载领域,基于低线束的方案成熟、成本较低,当前仍是主流方案。理论上,线束越高的激光雷达,成本端机械式方案越不具备优势。

(4)主要玩家:覆盖机械式方案的厂商非常多,代表性厂商海外为Velodyne、Waymo、Valeo、Ouster,国内为速腾聚创、禾赛科技、镭神智能、北科天绘等。

2、棱镜方案

(1)技术原理:大疆技术路径:采用空间激光通信领域的旋转双棱镜(或称旋转双光楔)方案。激光雷达的收发模块固定,通过电机带动双棱镜进行高速旋转。激光在通过第一个楔形棱镜后发生第一次偏转,通过第二个楔形棱镜后发生第二次偏转,只要控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光的扫描形态。产生不同角度的折射光线,从而实现FOV范围内更高线束的覆盖。

 

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大疆双楔形棱镜方案结构图

图片来源:大疆览沃

(2)方案优缺点

a. 优点

i. 激光收发器数量减少(览沃定点小鹏的车规版HAP只有6组收发器,100ms积分时间里可达到等效144线效果),相对于机械式,成本相应大幅降低。

ii. 收发模块固定,电机只须带动双棱镜旋转即可,避免了类似传统机械旋转式激光雷达的多次装调问题,量产能力也相应得到提高。

b. 缺点

i. 点云图是中心的位置密度特别大,而在周边较稀疏。直接导致信息的收集以及成像会在边缘的积淀,很难通过算法去补偿。

ii. 每次扫描后,成像范围不一样,会导致雷达在高速移动中成像不连续,影响可靠性。

(3)棱镜方案技术难点:是否过车规考验的是电机。如览沃激光雷达,用6组激光收发器实现等效144线的扫描效果,需要电机带动双棱镜高速运转,导致电机转速高达6000r/min。而过车规的Scala电机转速只有600r/min,转镜方案电机转速2000r/min。电机的寿命与电机的转速成反比,高转速对轴承及油脂选择大有讲究,需要大量的耐久试验及超高的工艺水准

(4)棱镜方案成本拆解

根据System plus Consulting测算,光学部件(包括透镜模组等扫描器件)的成本占比最高,达到54%,其次是主板,Livox发射和接收器件成本占比分别下降至7%和4%。

 

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图片来源:中金证券

(5)主要玩家

目前棱镜方案厂商只有大疆览沃一家。览沃的车规级激光雷达HAP产品已应用于小鹏P5(顶配版)上。单台激光雷达价格5000元以下(千级成本500-600美元,百万级成本260美元),小鹏P5单车2颗激光雷达选配+1万元。

对于棱镜方案市场的认可度,从客户端的反应来看,大疆览沃车载激光雷达拿到的定点项目当前只有小鹏P5 一个。而小鹏G9则采用速腾聚创M1 MEMS激光雷达,在2022年1月小鹏亦投资了MEMS激光雷达厂商一径科技。

从应用来说,双棱镜的方案更适合静态场景,比如扫描静态物体、V2X、测绘、低速机器人等,在车载领域存在软硬件层面的难点。据称大疆正在开发其他非棱镜方案的车载激光雷达。

3、转镜方案

(1)技术原理:保持收发模块不动,电机带动反射镜面围绕其圆心不断旋转,从而将激光束反射至空间的一定范围,实现扫描探测,其技术创新方面与机械旋转式激光雷达类似。

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左侧是转镜,右侧是固定的激光器

图片来源:

在转镜方案中,存在一面扫描镜(一维转镜)、两面扫描镜(一纵一横,二维转镜)及多面镜等多种细分技术路线。 

• 一维转镜:有多少线就有多少个激光发射器,意味着在做高线数产品时不仅成本高,而且集成难度很大,因而线数很难做高(法雷奥的Scala 1只有4线,Scala 2也只有16线,原因便在于此)。禾赛提出的方案是将发射/接收模块集成在同个芯片上,实现激光收发系统和“线数”的一一对应,基于此就可以基于一维转镜实现很高的线数。

• 二维转镜:增加了俯仰的转动,如此一条激光可以扫描多个平面,用数量很少的激光发射器,通过扫描镜高速旋转中的折射和反射来达到“多线”的效果,这样不仅可节省激光器的成本,也可做高“线数”。 

一维转镜打出的光束是线光束,之后左右横移完成面扫描;而二维转镜完成的就是面扫描。

(2)转镜方案优缺点

a. 优点:激光发射和接收装置固定,仍有旋转模块但比较小,可以减少产品体积,并且降低成本;旋转模块只有反射镜,重量轻,电机轴承的负荷小,系统运行起来更稳定,寿命更长,符合车规。

b. 缺点:内部有机械结构,在长期运行之后稳定性、准确度依然会受到影响;一维式的扫描线数少,扫描角度不能到 360 度;理论上成本下降空间有限(激光收发模组数量仍较多)。

(3)技术难:转镜方案技术难点在于电机,光学系统控制机制和转轴精度。电机转速2000r/min,仍存在高温耐久稳定性、FOV视场角受限,信噪比低等问题。

(4)转镜方案成本拆解:4线转镜式激光雷达法雷奥Scala1成本拆分中主板占比最高,激光单元板、光学部件和激光机械部件分别占BOM成本的23%、13%和10%。各转镜方案的成本,总体上因存在多组激光发射器仍占据较大成本,光学部件占比比较稳定。

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图片来源:中金证券

(5)转镜方案玩家

a. 法雷奥:2017 年,奥迪 A8 为全球首款量产的 L3级别自动驾驶的乘用车,搭载了法雷奥和 Ibeo 联合研发的 4 线振镜激光雷达,累计出货量超过10万套。但法雷奥第三代SCALA激光雷达产品将会采用MEMS方案,预计2024年量产。

b. 图达通:2022 年,搭载 Innovusion Falcon 激光雷达的蔚来 ET7 上市,该款激光雷达为 1550nm 方案,等效 300 线数,8光路收发,理论上可以节省一定成本,但是节省成本的程度也是有限的,不如MEMS方案。

c. 禾赛:2021年发布转镜激光雷达产品AT128,已获得超过150万台意向订单,客户包括理想、集度、高合、路特斯等。于2022年年底大批量交付。

d. 镭神智能:2020 年,镭神智能自主研发的 CH32 面世,成为全球第二款获得车规级认证的转镜式激光雷达,目前据称已经规模化交付东风悦享(无人驾驶接驳小巴)量产前装车型生产。

4、MEMS方案

(1)技术原理:MEMS 微阵镜激光雷达的核心是 MEMS 微振镜,其本质是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件。是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其中心是一块镜子的电路板,可以通过控制电流来让中央的微镜产生平动或者扭转,也就是 X 轴和 Y 轴上的移动。由于镜子本身可以扭转,所以只需要 1 束激光就可以通过镜子不同角度的反射来让激光束发射到不同的方向,从而实现与机械式激光雷达相似的效果。

 

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(2)技术方案优缺点

a. 优点

i. 尺寸小、可量产:芯片化、无机械组件,摆脱了笨重的旋转电机和扫描镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸;

ii. 低成本:减少激光收发单元的数量,相比机械式极大地降低成本。如速腾M1用的是5个收发模块。

 b. 缺点

i. 探测距离和角度有限:MEMS 的振动角度有限导致视场角比较小(小于 120 度),大视场角需要多子视场拼接,这对点云拼接算法和点云稳定度要求都较高;受限于 MEMS 微振镜的镜面尺寸,MEMS 激光雷达接收端的收光孔径非常小,远小于机械激光雷达,而光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比,导致功率进一步下降,信噪比降低,有效探测距离缩短。

ii. 稳定性:MEMS 微镜属于振动敏感性器件,车载环境的振动和冲击容易对其使用寿命和工作稳定性产生影响,硅基 MEMS 的悬臂梁结构脆弱,外界的振动或冲击极易直接致其断裂。MEMS过车规的重点主要就在其振镜的可靠性。 

(3)MEMS激光雷达成本拆分: 

未来降本的主要部分:来自激光器、MEMS振镜、驱动芯片等。 

a. 发射端30%:激光器占比浮动比较大,如用905/1550nm、EEL/VCSEL,都会影响成本。若用1550nm光源,成本占比会提升至50%。发射端是激光雷达重要的成本构成;速腾、Innoviz在振镜上面做了很多方案,Innoviz振镜用阵列的方式。

b. 接收端20%-30%:主要包括APD/SPAD、ASIC处理芯片,主要做数模转换,占boom成本20%。会有所浮动,可能会上升到20%-30%。MEMS 1550nm光源需搭配专用芯片,如磷化铟、铟镓砷等特殊材料。

c. 主板:占boom成本的20%-30%,主要成本就是FPGA,用于整体架构数据处理。

d. 外壳结构件:10%。

e. 光学部件:包括微振镜、透镜,占比10%。

f. 其他:装调和人工费用占比10%左右(机械式人工费用占比50%以上)。

(4)MEMS方案玩家:代表玩家:Innoviz、速腾聚创。 

处于(准)车规状态并将在 2022 年量产上车的 MEMS 激光雷达产品有速腾聚创 M1、Innoviz One,另外 Innoviz Two 将在 2022 年进入批量生产,并在 2023 年服务车企。由于 MEMS 上游产业链相对成熟,为现阶段的主力激光雷达产品之一,量产售价降低至1000美元以下。

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5. FLASH方案

(1)技术原理:Flash 激光雷达的原理类似快闪,采用类似相机的模式,感光元件中的每个像素点都可以记录光子飞出的时间信息,运行时直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,随后由高灵敏度的接收器阵列计算每个像素对应的距离信息,从而完成对周围环境的绘制。 

(2)方案优缺点

a. 优点:一次性实现全局成像来完成探测,且无扫描器件、成像速度快。

b. 缺点:Flash 激光单点面积比扫描型激光单点大,因此其功率密度较低,进而影响到 Flash 激光雷达的探测精度和探测距离;抗干扰能力不佳,环境适应性相对差。 

(3)Flash应用:Flash方案中短期适合于辅助雷达定位,Flash 方案激光雷达相比于机械式和 MEMS 的优势在于集成度、量产成本,而劣势在于短期内性能难以大幅提高,其方案本身特点较为满足辅助雷达定位。面向的市场包括车载辅助雷达、路测智慧交通(市场起步慢)。 

车载应用案例:Outser、Ibeo。搭载3个Ibeo Next固态激光雷达的长城WEY摩卡车型预计在2022年量产;Ouster ES2选择牺牲扫描角度(26°×12°)换取较远的探测距离(200m),预计2024年实现批量交付。 

(4)技术方案发展方向:集中在提升VCSEL激光器功率,通过SPAD、SIMP提升光子探测能力,提升探测距离。

(5)Flash方案玩家:国外包括Ouster、Ibeo;国内:北科天绘、镭神智能(2018年宣布与以色列NEWSIGHT公司联合研发3D FLASH激光雷达V-Lidar)、北醒光子(应用于AGV)、飞芯电子、洛伦兹(当前主要应用于物流车内检测场景)、亮道智能等。

结论:FLASH技术方案的成熟度依赖VCSEL激光器功率的提升以及SPAD等探测器灵敏度的提升,才能提高成为车载前雷达的可能性。

6. OPA方案

(1)技术原理:利用相干原理(类似两圈水波相互叠加后,有的方向会相互抵消,有的会相互增强),采用多个光源组成阵列,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度,控制各光源发射的时间差,从而合成角度灵活、精密可控的主光束,实现对不同方向的扫描。

(2)方案优缺点

a. 优点:集成度高,信噪比低;相比MEMS,OPA完全取消机械结构,体积更小,对温度和振动的适应性更强、成本更低。

b. 缺点:但OPA方案易形成旁瓣效应,还有光信号覆盖有限,环境光干扰等问题,信号处理的运算量大。 

(3)技术难点:加工工艺、扫描角度、距离等问题尚待突破。

a. 加工工艺要求高:OPA,由紧密排列的(间距约为1µm)光学天线阵列组成,并在宽角度范围内发射相干光。通过调整每根天线发出的光的相对相位,可改变生成的干涉图。若要在100m处分辨尺寸为10cm物体,需要一个工作波长为1µm的OPA,并具备由至少1000根天线组成的电路,其中每根天线的间距为1µm。OPA的其中一个关注指标,提高天线通道数。

b. 旁瓣效应:光束经过光学相控阵器件后的光束合成实际是光波的相互干涉形成的,易形成阵列干扰,使得激光能量被分散(旁瓣效应:光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹,这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣,分散激光的能量)。

OPA激光雷达在减小旁瓣效应、加工工艺、探测距离等技术难题上还不成熟,仍需要底层材料体系和芯片的工艺的突破,难度还是比较大的。

(4)OPA方案玩家:国外Quanergy;国内厂商基本都处于预研阶段。包括力策科技,洛微科技,万集科技、国科光芯、速腾(有布局)、镭神(有布局),整体产业发展是比较缓慢。OPA初创公司周期太长。 

结论:业界认为OPA是车载激光雷达最终解决方案,但还需要5-10年,并且依赖产业链上游的成熟度。技术难点主要在底层材料、加工工艺上。从产业链上看,更加集成化,且采用硅光工艺,外采的部件更少。

(二)测距方式方案分析

 

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1. TOF方案

ToF(time-of-flight,飞行时间),通过直接测量发射激光与回波信号的时间差来估计距离信息。

TOF激光雷达采用了脉冲振幅调制技术(AM),因而也被称为AM激光雷达。该方式需要编码抵抗干扰,根据反射率判断目标是否为伪目标,因此对算法层面有较高要求。

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ToF可以分成iToF和dToF两大类。dToF和iToF的原理区别主要在于发射和反射光的区别。 

• dToF即直接发射一个光脉冲,并测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,从而得到光的飞行时间并计算距离。

• iToF发射的并非一个光脉冲,而是发射特定频率的调制光,即明暗强度呈规律变换的正弦波调制。通过检测接收到的反射调制光和发射的调制光之间的相位差,测量出飞行时间,从而估计出距离。

 

dToF/iToF的优劣势:

 

• dToF理论上其精度不随距离增加而下降,抗干扰能力强、功耗较低,但工艺相对复杂;软件层面,无需频率调制,算法相对简单,难点在于SPAD、以及高性能时间数字转换器TDC;

• iToF精度偏低、探测距离相对短、抗干扰性较弱(环境光对电路的干扰)、功耗较大,但工艺相对简单;软层面,调制算法、数据处理算法难度大。

 

2. FMCW方案 

(1)技术原理

FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave,调频连续波),主要通过发送和接收连续激光束,把回光和本地光做干涉,并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异,再通过频率差换算出目标物的距离。

具体地说,激光束击中目标物后被反射,而反射会影响光的频率——如果目标物向车辆走来,频率会升高;如果目标物和车辆同方向行走,则频率会降低。当反射光返回到探测器,与发射时的频率相比,就能测量两种频率之间的差值,从而计算出物体的距离信息。 

根据多普勒频移信息可以直接测量速度信息,抗环境光和其他激光雷达干扰能力强,可大大改善信噪比,未来往利用硅基光电子技术实现激光雷达芯片化方向发展。

(2)FMCW激光雷达拆解: 

a. 光源

原理上905nm和1500nm波长光源都可以使用,但光通信领域应用的FMCW基本都是1500nm光源,供应链相比905nm成熟,905nm做出的FMCW雷达成本太高。故基本使用1550nm波长光源。但国内产业成熟度方面,FMCW1550nm光源比TOF的贵很多,国内几乎没有量产的。 

采用窄线宽激光器,即相关性比较好的激光器(相关性一般指激光的频率、振动方向、相位高度一致)。FMCW要保证回光能和本地光进行干涉,只有干涉了才能检测到目标,因此,对激光器的“相干性”要求很高。FMCW采用的1500nm光源与TOF采用的1500nm光源都是基于磷化铟衬底,但是结构不同,FMCW要求窄线宽(保证自相干性)、低噪声,导致两者的性能、良率、成本等完全不同。 

b. 探测器: 

使用低成本的PIN PD。在FMCW中,光束在发出去之前,留了一半在本地,尽管回光也有折损,但本地光还在,这两部分一结合,就把光信号给放大。在TOF中,APD在放大信号的同时也放大了噪声,而FMCW是不带噪声的。 

FMCW收发集成,需采用硅光工艺。目前在探测器端,已经可集成到硅光芯片(该硅谷芯片上集成了分光器、调频器、偏振控制、相干混频阵列等功能)上;但发射端因为是三五族产品,没法直接集成到硅光芯片中,目前基本是将激光器在另一块晶圆上加工好之后,可以再通过一些特殊工艺被贴到硅光芯片上,也属于激光器外置,但英特尔已在朝着“激光器内置”发展,但工艺难度要求非常高,且英特尔已建立专利壁垒。 

c. 扫描方案: 

FMCW做长距离,最合适的是跟OPA搭配,当前业界用的仍是较成熟的方案如机械师、转镜、MEMS。FMCW+OPA结合,主要是两者通过硅片芯片都可以实现降本,且固态OPA技术路线本就具备众多优点。但业界认为即使到2030年OPA+FMCW方案装车应用都很难成熟。目前国内挚感光子采用了棱镜扫描,而光勺科技目前用的是机械扫描,2022年会换成MEMS。 

(3)FMCW技术路线优势与挑战: 

a. 优势 

• TOF的速度维数据质量低,而FMCW可获取每个像素点的速度维数据。FMCW的反射光频率会因为多普勒效应根据前方移动物体的速度而改变,可直接计算出目标物每个像素点的速度数据。速度维度数据的作用,一是延长了有效探测距离,二是反射率很低的物体可以被仅凭一个光点就被探测到,三是输出目标物每个像素点的速度,这便减少了后端处理对算力的要求,传感器融合的算法架构也好做。

• TOF的光波容易受环境光干扰,而FMCW的抗干扰能力很强。TOF的关键技术在电信号(通过调制电的脉冲让光的脉冲更窄,再把光变成电信号,然后再去操纵电信号来解析出来这个脉冲),而电信号的一大特质是很容易被环境噪声干扰。FMCW基于相干原理(被反射回的光跟本地光干涉),它只能接收到自己发出去的光(频率相同或相近),因而不会受到各种“杂光”的干扰。 

•  TOF的信噪比过低,而FMCW的信噪比很高。信噪比过低会导致无法区分真伪目标。通常FMCW激光雷达的信噪比要比TOF高10倍以上。原因一是FMCW激光雷达的探测端只能接收到自己发出去的光;二是FMCW激光雷达留有本振光,跟返回信号光融合。 

 TOF很难跟OPA融合。TOF峰值功率很高(通常在40-50瓦,甚至可达100 瓦),不适合做在硅光芯片上,而降低功率会降低探测距离。如Quanergy之前TOF+OPA组合的方案,探测距离就不到100米。而FMCW的峰值功率只有“百毫瓦级别”,主要跟以下两方面有关,一是TOF的单次测距只需2微秒,而FMCW单次测距需要20微秒,尽管总能量并不少,但由于能量在时间上是平摊的,因而峰值功率会比较低;二是TOF的信噪比较低,如果功率太低,就无法获得足够多的“有效信号”,而FMCW的信噪比很高,即便是用很低的功率,也可以获得足够多的“有效信号”。即OPA只有在FMCW成熟之后才可以应用在车载激光雷达上。目前业界中做的OPA方案研发基本都是基于TOF调制方式来做的。 

b. 挑战

• 对硅光芯片的要求比光通信产品苛刻得多。为了提高成像效果,FMCW激光雷达对硅光芯片的插损指标提出了更高的要求,否则探测距离会缩短,这对工艺有更高的要求。光通信产品要求传输速率更高,而FMCW激光雷达要求调频调制的线性度更高、信噪比更高。 

• 短期成本很难下降:导致成本居高不下的,不仅有1550纳米激光器,还有接收器、光学元器件、电子元器件等。接收器成本:尽管使用低廉的PIN,但由于前端光学器件和后端电子器件的要求,接收器的整体成本比TOF更高。光学元件成本:FMCW系统使用相干探测,所有光学器件表面的公差都必须控制在λ/20以内。精度太高供应商太少;电子元件成本:FMCW对ADC转换速率的要求是ToF系统的2~4倍,对FPGA的要求是能够接收数据并进行超高速FFT转换。即使使用ASIC,FMCW系统所需的处理系统复杂度(和成本)也是ToF系统的几倍。业界认为即使FMCW激光雷达达到百万级出货量,成本仍难低于500美元。 

• 算法复杂:FMCW激光雷达模拟前端和物理层数字信号处理算法都很复杂,特别是激光调制,难度极高。

• 算法无法复用:TOF激光雷达用的算法无法复用至FMCW中,要尝试FMCW激光雷达,激光雷达的算法就得重新写,并且,后端的融合感知算法也需要重写。下游车企或者自动驾驶公司积极性不高。 

(4)FMCW方案主要玩家:

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图片来源:滴水石开

结论:TOF仍是短期内的主流方案,FMCM是发展方向,但距离成熟仍有很长的距离。短期内供应链不成熟,对激光器、后端控制芯片、ADC、光学元件要求都很高,调制算法难度也很大。而长远来看,产品的性能以及降本很依赖硅光工艺,国内光通信硅光技术都不成熟,短期内较难提升。

激光雷达系统层总结: 

• 转镜+MEMS仍占据着未来3-5年发展窗口期。从一些行业调研纪要、以及从固态技术方案的成熟度来看,未来3-5年车载端80%是转镜、MEMS激光雷达方案,转镜、MEMS各占一半。 
• 而对于激光雷达企业而言,一般都是围绕下游车企客户需求,聚焦成熟的技术路线,对固态技术路线进行预研,很难同时铺开进行研发并取得竞争地位。 
• 对于Flash技术方案,Flash激光雷达当前受限于激光器功率、探测器灵敏度,探测距离仍比较短(或FOV很小),业界认为flash主雷达距离初步量产仍3-4年时间(如Ouser最新推出的探测距离达200m的Flash激光雷达,当前仍处于样机阶段,最快于2024年量产。核心还是取决于上游激光器、探测器的技术成熟度、成本)。而国内进行Flash车载研发的比较少,主要有北科天绘等做测绘市场的Flash厂商,以及其他技术路线厂商做技术预研。当上游供应链逐步成熟后,进入门槛就变得相对较低。届时面对的竞争对手包括其他技术路线激光雷达厂商以及新进入者。原先通过MEMS或转镜等技术路线已跟车企建立深度业务合作、规模量产交付能力,届时在交付经验、批量生产上相比纯Flash或从工业市场切汽车市场的企业更具优势。 

• 对于OPA技术方案,国内主要就力策科技、洛微、万集等厂商在研发,总体研发周期很长(在材料、硅光工艺上仍有很大的挑战,对企业而言需持续研发流片迭代),需持续投入。OPA技术壁垒相比Flash是更高的,需要持续投入积累,新进入者进入后仍需花费较长的摸索及长时间积累才可突破。对于OPA技术方案,核心就是激光雷达厂商的天线设计、工艺能力,外采的核心就是激光器阵列,以及一些处理芯片、驱动芯片、ADC(集成能力强的玩家都可以在硅片上实现单片集成)。当前阶段去了解其OPA技术方向的产业链投资比较难看清楚。

• 对于FMCW激光雷达,其核心的优势就是在远距离,故其的优势市场就是在车载市场,切入其他非车载市场竞争力不强。但从其技术难度以及产业成熟度(包括窄脉宽激光器、硅光集成工艺、高精度光学元件)来看,(硅光的)FMCW距离成熟的时间仍比较长。在FMCW技术方案上下游的投资,其窄脉冲激光器、数模转换器、控制芯片技术难度要求被其他方案更高,国内相关企业更加稀缺。

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五彩晶圆(初级)

激光雷达零部件层分析

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整体发展趋势:发射端由EEL向VCSEL发展;接收端由PD/APD向SPAD/SiPM发展;芯片端由FPGA向SoC进化;扫描端由机械式-半固态(中短期)-纯固态(长期)。

(一)发射模块

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激光雷达芯片结构

图片来源:阜时科技

发射模块包含激光器、激光器驱动芯片。接收模块包含高度ADC、跨导放大器TIA、时间转换器TDC等。主控芯片当前主要是FPGA,后期激光雷达厂商会往SOC方向自研。当前后端处理ADC、TIA、FDA、TDC等元件基本是TI、ADI在供。

1. 激光器

(1)光源波长

目前激光雷达应用的主要包括905nm与1550nm光源。同时也有850nm等波长的光源(ouster)。 

a. 905nm

• 优点:光噪声和控制信号是比较好;基于Si材料及在光通信的成熟应用,产业链成熟,价格便宜。

 缺点:最大问题是905nm未满足人眼安全功率等级,发射的脉冲激光若功率过大会伤害人眼。而在功率受限的情况下当前的探测距离限制在150m(后续可能有所进步)。

905nm光源一般采用EEL或者VCSEL,其中VCSEL主要是基于砷化镓衬底。

b. 1550nm

• 优点:光束质量极佳,脉宽较窄,激光人眼安全功率等级更高,可以使用更大的功率以获得更强的穿透能力,平均发射功率可达 905nm 的 40 倍,探测距离更远,探测分辨率更精确;

 缺点:相较于905 nm激光雷达,使用光纤激光器、InGaAs 探测器,价格昂贵;高功率需考虑散热需求;需要外部电源和复杂的电子控制装置,体积较大。 

1550nm波段主要是光纤激光器形式,在光通信领域应用比较成熟。光纤激光器为掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,其特点在于电光效率高、输出功率高、光束质量好、速度快等。光通信应用的光纤激光器功率是比较小的,提升功率才能在激光雷达上应用。而功率达标的光纤激光器成本高达100美金(有的认为高达数百美金)。价格昂贵也是当前业界未大批量采用1550nm光源的原因。 

EEL也可以做到1550nm波长,如深圳瑞波光电开发了车载应用的1550nmEML半导体激光器产品;但VCSEL目前很难做1550nm波长,目前做到的非常少,且成本很高,技术方面主要原因跟其材料有关,1550nmVCSEL发光材料即有源层材料需采用四种InGaAsP(铟镓砷磷,不常见,四种复合材料)、衬底材料InP(常见),但InP衬底的反射率很低,需要做很多层的生长才能达到总折射率,这就涉及工艺、设备成本、人工成本、生产周期;且InP导热率很差,很容易烧坏。 

当前车载1550nm光纤激光器产品性能并非很成熟,905nm仍有较大的应用潜力,一是随着905nm光源上游元器件的发展,10%反射率下的探测距离提升到200m以上;二是905nm方案的温升表现会优于1550nm光源。 

激光雷达厂商从905nm切换到1550nm,产品设计差别不大,包括控制算法,一般切换只需要2-3月时间。 

关于905nm光源向1550nm光源的发展趋势,最近1-2年内国内有批量交付的主要是图通达、国外主要就是Luminar。2022年国内开始有采用1550nm波长光源的激光雷达开始交付。从下表可以看出,目前采用1550nm波长光源的主要为图通达猎鹰激光雷达,2022年Q1开始给蔚来ET7交付;一径科技ML-XS,应用于嬴彻科技干线物流车上,预计2022年-2023年才交付;而镭神智能自研光纤激光器,但其1550nm激光雷达LS21G于2021年H2才发布样机,距离批量交付预计最早也需要至2023年;昂纳科技2014年开始布局1550nm光纤激光器,2022年发布1550nm激光雷达产品,距离批量订单交付最快也需至22、23年;禾赛也有在自研光纤激光器,但未有产品推出。

 

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国内主流激光雷达产品情况

 

图片来源:滴水石开

(2)激光器类型

激光器是激光雷达发射模块的重要组成部分,主要方案有边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光纤激光器三种,其中EEL和VCSEL属于半导体激光器。当前VCSEL的应用仍处于起步阶段,随着VCSEL功率逐步提升、阵列化的成熟,VCSEL渗透率逐步提升。 

• EEL:作为探测光源具有高发光功率密度的优势,但 EEL 激光器因为其发光面位于半导体晶圆的侧面,使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤,往往只能通过单颗一一贴装的方式和电路板整合,而且每颗激光器需要使用分立的光学器件进行光束发散角的压缩和独立手工装调,极大地依赖产线工人的手工装调技术,生产成本高且一致性难以保障。但在光通信行业应用多年,产业链成熟,成本低。 

• VCSEL:发光面与半导体晶圆平行,具有面上发光的特性,其所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合,在精度层面由半导体加工设备保障,无需再进行每个激光器的单独装调,且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合,提升光束质量。

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图片来源:国信证券

传统的 VCSEL 激光器存在发光密度功率低的缺陷,导致只在对测距要求近的应用领域有相应的激光雷达产品(通常<50 m)。EEL功率密度更高,125W激光器的光功率密度可以高达60,000W/mm2;而1000W的VCSEL,其光功率密度仅能做到1,000W/mm2。近年来国内外多家 VCSEL 激光器公司纷纷开发了多层结 VCSEL 激光器,将其发光功率密度提升了 5~10 倍。 

2020-2021年,全球主要厂商陆续发布了双结和三结VCSEL产品,而头部厂商Lumentum则在2021年3月首发五结和六结VCSEL阵列,每个发射孔的光功率超过2W,从而使得1平方毫米VCSEL阵列的峰值功率超过800W。而国内进展最快的纵慧芯光已开发开发了2结、3结和5结产品。目前在VCSEL领域上车的包括Lumentum、AMS。

(3)竞争格局

现阶段发射端激光器仍由国外厂商主导,代表企业有滨松光子、Lumentum、ASRAM、Lumibird等。

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• EEL:国外主要供应商欧司朗ASRAM、Lumentum、II-VI Finisar,国内主要是中电科44所、深圳瑞波光电,长光华芯、炬光科技等。

• VCSEL:国外Lumentum、AMS、欧司朗ASRAM、II-VI Finisar;国内VCSEL厂商分地域来看,长三角地区包括纵慧芯光、睿熙科技、长光华芯(2021年H1VCSEL收入不到200万元)、华芯半导体、度亘激光、老鹰半导体、焜腾红外等;珠三角地区包括博升光电、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能;此外还有总部位于武汉的仟目激光,以及炬光科技,LED上市厂商(例如三安光电、乾照光电、华灿光电)布局VCSEL。

• 光纤激光器:国外法国Lumibird 、美国QPC Lasers(波科激光);国内昂纳科技(光通信厂商,港交所上市,已给国内外多家激光雷达厂商供应光源。22年发布1550nm激光雷达)、海创光电、镭神智能(自研,创始人具备光通信领域产业经验)、江苏亮点光电(据称已开发给车载客户送样)、禾赛(有在研发)。 

国内激光器厂商在车载领域的进展:瑞波光电开发并小批量生产的1550nm EEL半导体激光芯片已供给激光雷达客户,是国内唯一一家实现1550nm 半导体激光器产品的厂商;纵慧芯光、长光华芯获得华为直接或间接投资,目前纵慧芯光的VCSEL产品已通过AEC-Q、IATF16949认证,预计将于2022年在汽车电子领域实现前装量产,长光华芯应用于车载激光雷达的高功率、多结、高能量密度VCSEL产品也于2021年取得重要突破。

(4)激光器投资逻辑

• VCSEL激光器

基于砷化镓材料,国内砷化镓衬底、外延、封装领域都偏弱,核心还是工艺,做IDM模式更具优势,有利于产品迭代,但技术开发高、产线投入很大。

在车载激光雷达应用的VCSEL方面,激光器性能(如功率)是固态雷达性能提升的重点,故国内厂商有机会吃到这块市场蛋糕的也是头部的VCSEL厂商。

 1550nm光纤激光器

在长距离上1550nm是发展方向。国内当前1550nm光纤激光器能满足使用的就2-3家。包括昂纳科技(主要供应商)、海创光电(已处于量产阶段)、江苏亮点光电(据称有给客户送样)。

(二)接收模块

接收模块包括探测器芯片、多通道模拟前端芯片(TIA)、模拟数字转化芯片ADC/TDC。

1. 探测器芯片

(1)技术路线

a. PD :是由一个 PN 结组成的半导体器件,具有单方向导电特性,PD 方案无增益, 探测距离短,适用于 FMCW 激光雷达,该方案探测成本低。

b. APD:在以硅或锗为材料制成的光电二极管的 P-N 结上加上反向偏压后,射入的 光被 P-N 结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象,因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”,APD 相比 PD增益能力得到提升,可以理解为一份光子进来,可以把它增益到上百的这种信号,即使在很低的光强下也可以进行有效探测,为 TOF 激光雷达技术相对成熟的方案。

c. SPAD :一种新型的光电探测器件,由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成, 具有增益高(比 APD 提升了 10 万倍)、探测距离远等特点。

d. 硅光电倍增管 (SiPM):多个 SPAD 的阵列形式,可通过多个 SPAD 获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用。 

但由于雪崩二极管一直工作在倍增模式的话会影响二极管的使用寿命,从而影响该方案的可靠性,因而 APD 为目前 TOF 激光雷达的主流方案。

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产业链成熟度

APD已比较成熟,国外供应商包括滨松,国内包括中电科44所(做得比较好)、长光华芯、芯思杰等;

SPAD光子探测效率更高,适合中长距离探测。是当前索尼等大厂、国内初创公司聚焦的重点领域。其应用于TOF技术路线,在消费电子(如手机、VRAR)等领域也有较大的应用空间。

APD方案跟SPAD方案对后端电路芯片的需求差异

dToF采用的是数字电路架构,不需要模数转换,故只需要SPAD+TDC即可。而 itof 采用的是模拟电路结构,需要模数转换芯片,APD探测到光信号(模拟信号)后,APD将光信号转换成电信号,跨阻放大器TIA对电信号进行低噪声放大,将通过ADC进行转换。

故SPAD不再需要TIA、ADC,而TDC将会继续使用,且SPAD对TDC精度要求更高。

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APD、SPAD对比

图片来源:网络

 

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SPAD方案结构

图片来源:网络

(2)竞争格局

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关于SPAD的竞争格局,从全球来看,目前佳能遥遥领先,奥地利AMS、松下、索尼和三星处于第二梯队;第三梯队还有东芝、丰田(电装)、安森美、滨松、英飞凌、意法半导体、富士胶卷;第四梯队有苹果、博通、Lumentum。

激光雷达厂商也在自研SPAD,如Flash厂商Ouster,对于Flash厂商而言,激光器、探测器的差异化更加重要。

 

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部分代表性国际SPAD厂商

图片来源:滴水石开

国内有在做SPAD产品的厂商包括灵明光子、芯视界、阜时、芯辉、宇称、惚恍微、识光芯科等。

(3)探测器投资逻辑

SPAD高度依赖生产工艺、封装测试。如目前做得比较好的都是CIS\CCD玩家佳能、索尼,具备大批量封装测试经验的安森美(外延收购SPAD厂商)。而中国大陆优质代工平台比较缺乏,熟悉相关工艺的人员亦比较稀缺。 

(三)光学模块

1. 具体产品:激光雷达应用的光学模块,一般是透镜、棱镜、反射镜,起成像作用;以及起特殊作用(如分光、传像、滤波等)的元件,如分划板、滤光片、光栅以及光学纤维件等。 

2. 光学元件壁垒:玻璃研磨无区别,难度在于玻璃表面镀膜。 

3. 各种技术路线下光学元件价值:机械式>转镜/棱镜混合固态>MEMS混合固态 

(1)机械式:光路设计比较简单。光学元件数量跟线束相关。方案难点在最终的调焦过程,64线或者是48线去对焦和调焦难度比较大,并且效率是最低的一个小时也就能做几台。

(2)MEMS光路比较简单。

(3)OPA、FALSH等固态路线,相比其他路线会光学元件有所减少,有的是放在前端一块集成了。 

4. 竞争格局:基本都是舜宇、水晶、欧菲光、凤凰光学,市占率60%-70%。各家的光路路径设计会有所差异。其中的雷达视窗:水晶光电、舜宇车载光学、富兰光学、亮宇。

5. 发展趋势:光学元件厂商参与光学设计比重提高。产品形态越来越成熟,前端的一些玻璃厂家也开始加入光通道一些设计,在元件的基础上延伸到光路设计环节,将光路模组出货给激光雷达厂商。对于光学厂商而言这是一件双赢的事情:激光雷达厂商生产良率及工艺效率得以提升,光学厂商能做的价值量提升。

6. 激光雷达光学元件相关上市公司:国内光学元件行业比较成熟,全球的激光雷达光学元件供应链基本都位于国内。国内上市公司也积极布局激光雷达市场。

 

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注:扫描模块、其他环节本处不做展开。

激光雷达成本构成分析

激光雷达由激光发射、激光接收、信息处理、扫描系统组成,对应激光器、探测器、信息处理、光学成本占比预计分别约30%、20%-30%、30%-40%、10%。 

降本路径:

 BOM成本降低:从目前激光雷达的核心组成元器件来看,芯片是关键的降本部分,包括控制芯片、ASIC芯片、激光器、波束控制机构和光电探测器。如Luminar在招股书中显示,其已经通过跟供应商的协议锁定,在订单量达到一定规模的前提下激光发射器、探测器及Asic芯片,这三项的成本可控制在100美元以内。

 良率提升:最大的降本空间所在。良率从最开始的50-60%已经提高到70-80%,正常上车良率达不到95%或98%以上,没法通过主机厂的上车的要求。

 规模效应分摊制造成本:民生电子调研数据,目前制造成本200多元,未来预期会降到40元以内,也就是30多元,下降空间还有100-200元。 

激光雷达厂商预测价格在1000-2000美金之间(初步量产规划价格)。上车的渗透率肯定是逐步提升的,整车厂上车的成本预期在1000美金以内。以目前某个新势力看,现在定点的激光雷达价格在400-500美金,希望规模量产后成本降到200-300美金。

激光雷达行业发展趋势

对于一项产品而言,总是呈现围绕客户需求,进一步提升性能、降本、可大规模量产的发展趋势。 

由混合固态过渡到纯固态激光雷达是未来的技术发展路线。短期转镜、MEMS,中长期OPA。基于可靠性、量产成本的考量,长期看激光雷达的发展将朝着可动器件趋近于0的方向。Flash方案一定程度上受到高功率发射对于探测距离的限制,OPA在可量产性、可靠性、成本方面(随着技术成熟和产业链完善,成本有望下降到百元级别)具备优势,主要问题是技术成熟度不足。作为到固态激光雷达的过渡阶段,近几年量产的产品都属于混合固态激光雷达,主要包括转镜、 MEMS方案。

芯片化、集成化。激光雷达的性能,主要取决于收发模块;可靠性取决于扫描模块;成本由二者决定。而扫描模块是一直在演进的,对于激光雷达厂商而言,收发模块技术是通用的,考虑的在稳定可靠的扫描模块基础上,不断优化收发模块,提升产品竞争力。 

扫描模块的本质是机械,由它带来的可靠性问题需要通过工程方式来解决,主要靠时间。相比之下,收发模块的壁垒,则是电子技术的演进,是技术壁垒+工程壁垒,这其中的技术创新和研发能力就非常重要。

芯片属于一个规模制造行业,需要有一定体量才能去做芯片化,也只有头部玩家才能实现高度芯片化,如国内就是速腾、禾赛,定点车型比较多,体量比较大。

 

总结

 

 

车载激光雷达作为L3及以上智能驾驶的核心传感器,属于新的增量市场,车载领域全球亦有几十亿美金的市场空间。

 

产业经过多年的摸索,在2022年终于实现上车“量产元年”,当前国内15万以上的新能源新车型大多数都配置激光雷达,随着车企部分L3级别智能驾驶功能在2022年逐步交付应用,激光雷达选配率提升速度将进一步加快。

 

在系统层,从技术路线角度,转镜、MEMS仍占据着未来3-5年发展窗口期,未来3-5年车载端80%是转镜、MEMS激光雷达方案,转镜、MEMS各占一半,且目前能看到更多的厂商往MEMS方向开发。Flash方案主要依赖上游收发模块的成熟度,国内上游仍不成熟,一旦成熟该技术方向的进入壁垒将降低,未来几年Flash将率先应用在侧向补盲。而OPA、FMCW距离上车仍有遥远的距离。

 

 

参考资料:

1、 激光雷达的市场空间、技术路线及产业链拆解-国信证券

2、 自动驾驶竞争升级,带动需求爆发,从技术角度看激光雷达-海通证券

3、 “激光雷达,理想与现实”系列文章-高工智能汽车

4、 激光雷达井喷式上车,这一年发生了什么?|回望2021-智驾网

5、 车载激光雷达交流纪要:2021年是量产元年?

6、 匠心·创新---万集科技激光雷达产业化进程

7、 FMCW激光雷达科普系列-九章智驾

8、 dToF与iToF技术解析

9、 看懂这颗激光雷达芯片,就看懂了索尼汽车-车东西

 

 

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纯净的硅(高级)

非常全面的激光雷达科普文章,干货满满,对初学者非常有帮助

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一粒金砂(初级)

总结的非常好,请问下如何获取这份材料?

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