激光雷达行业深度报告：技术路径/行业壁垒/竞争格局

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1、 激光雷达(LiDAR)行业概况
1.1、什么是激光？什么是激光雷达？应用的历史？ 激光的发明要追溯到爱因斯坦在 1917 年创立的受激辐射基础理论。处在高能级的粒子受到某种光子的激发会从高能级跃迁到低能级，同时释放一个与激励光子有着完全相同的频率、相位、传播方向以及偏振状态的光子，受激发射出的光被称为 LASER，最早被翻译为镭射，如今我们翻译为激光。 激光雷达被称为探测的“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。激光雷达的应用可以分成四个阶段：
2 t8 }$ \( |: R5 L# m% d. X4 R8 G● 1960-2000 诞生与科研应用阶段：全球第一台激光器诞生于 1960 年，早期激光雷达主要用于科研及测绘项目，进行气象探测以及针对海洋、森林、地表的地形测绘。二十世纪八九十年代，扫描结构的引入扩大了激光雷达的视场范围并拓展了其应用领域，激光雷达商用产品如激光测距仪开始起步。
● 2000-2015 商业化与车载应用初期：激光雷达从单线扫描的架构逐渐发展到多线扫描，它对环境 3D 高精度重建的应用优势被逐渐认可，2004 年开始的DARPA 大赛推动了无人驾驶技术的快速发展并将激光雷达引入了无人驾驶。
2 Y6 P. h0 c7 Z7 U& }2005 年 Velodyne 推出的机械旋转式激光雷达在第二届 DARPA 挑战赛中得到广泛关注，第三届 DARPA 完赛的 6 支队伍中的 5 支都搭载了 Velodyne 生产的激光雷达。随后陆续有巨头科技公司及新兴无人驾驶公司投入无人驾驶技术研究，激光雷达被广泛应用于无人驾驶测试项目。
" T5 k& \7 h7 }$ @* Z● 2016-2019 无人驾驶应用蓬勃发展：国内激光雷达厂商纷纷入局，技术水平赶超国外厂商。激光雷达技术方案呈现多样化发展趋势，开始有无人驾驶车队进行小范围商业化试点，此外激光雷达在高级辅助驾驶（ADAS）和服务机器人领域的应用也得到不断发展。
● 2019 年至今技术优化引领上市热潮：技术上，激光雷达朝向芯片化、阵列化发展。2020 年，境外激光雷达公司迎来通过 SPAC 的上市热潮，同时有华为、大疆等巨头公司跨界加入激光雷达市场竞争。
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激光雷达综合性能最优，智能驾驶感知层面硬件之首。根据前瞻研究院，从可靠度、行人判别、夜间模式、恶劣天气环境、细节分辨、探测距离等方面来对比，激光雷达是三种环境传感器中综合性能最好的一种，而且，其产品优势将随着消费升级与智能驾驶需求提升而愈发凸显。
% }! e9 |, s% L5 p5 ~1） 还原三维特征：高频激光可在一秒内获取大量（约 150 万个）的位置点信息（称为点云），利用这些有距离信息的点云，可以精确地还原周围环境的三维特征。
2 G. S) A8 k4 d  a2） 探测精度高：激光雷达的探测精度在厘米级以内，这就使得激光雷达能够准确的识别出障碍物具体轮廓、距离，且不会漏判、误判前方出现的障碍物。
3） 探测距离远：相比于毫米波，激光雷达使用的激光波长在千纳米级别，有更好的指向性，不会拐弯，也不会随着距离的增大而扩散。相比于摄像头，激光雷达不会受到像素和光线的制约。
" P5 u) _( l5 ]2 z. _4） 抗干扰能力强：自然界中存在诸多干扰电磁波的信号和物质，但是很少有能对激光产生干扰的信号，因此激光雷达具有较强的抗干扰能力。
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6 ^+ |& U5 L+ X1.3、 以何驱动：供需两侧共发力，车载赛道前景明朗
通过前文的历史回顾，我们可以发现，激光雷达之于自动驾驶的概念提出已经历很长一段时间，但是早期多数是针对军事，或者是概念性的畅想，和日常商用车还有一定距离。但 2021 年 4 月上海车展之后，一大批搭载激光雷达的量产车的涌现吸引了市场眼球，包括小鹏 P5、蔚来 ET7、极狐阿尔法 S、奥迪 S 级、宝马 iX、智己 L7、哪吒 S 等等。同时，无人驾驶测试项目及车规规模也在快速扩张。我们不禁要问：为什么激光雷达突然如此抢手？接下来我们将从需求和供给两个角度，分析近年来激光雷达加速发展的驱动因素。

2、 技术路径：详拆结构，把握趋势
: q/ l/ {# z. I& w& ~激光雷达通过发射、接收、处理激光信号进行目标探测和识别。激光雷达的工作原理是向指定区域发射探测信号(激光束)，经过目标物反射后，将收集到 的反射回来信号与发射信号进行处理比较，即可获得待测区域环境和目标物体的有关空间信息，如目标距离、方位角、尺寸、移动速度等参数，从而实现对特定区域的环境和目标进行探测、跟踪和识别。
8 b: P/ `4 j# r, f# Y, T, i激光雷达分类维度多样。可以按照测距方法和技术各环节解决方案的不同，对其进行多种方式的分类。行业厂商可基于测距原理、发射结构、光束操纵、接收结构、信息处理结构五大分类维度进行方案组合设计。

, j. F3 N) E/ z" N% `, N, Z6 t2.1、原理：ToF 发展成熟，FMCW 备受期待
6 x& }1 j% }* d9 j按照测距原理的不同，激光雷达可以划分为飞行时间测距法、基于相干探测的 FMCW 测距法、以及三角测距法等。其中 ToF 与 FMCW 可实现室外阳光下较远的测距，是目前市场车载中长距激光雷达的主流方案。 （1）ToF 飞行时间法，全称 Time of Flight，能够根据发射和接收的时间差直接算出距离，具有响应速度快、探测精度高的特点，在激光雷达传感器领域应用多年。
+ b# r+ |. ~) p: |3 ]! S（2）FMCW，全称为 Frequency Modulated Continuous Wave，使用三角波进行调制，利用相干光学检测技术，通过在时间上调制激光频率并检测发射与回波间的拍频信号，完成对目标的距离及速度（多普勒频移）的同时探测。
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ToF 发展成熟，FMCW 备受期待。对于 ToF 和 FMCW 这两种技术路线来说，目前以 TOF 为技术路线的激光雷达公司数量众多、当属主流，常见的光束操纵分类如机械式、混合固态、固态式均采用了 ToF 的原理进行测距。但 FMCW 高灵敏度（高出 ToF 10 倍以上）、长距离探测、低功耗、抗干扰、直接获取即时速度的优势日益明显，越来越受到行业的重视。我们认为，未来随着 FMCW 激光雷达整机和上游产业链的成熟，FMCW 有望逐渐改善体积大、成本高、速度慢等劣势，ToF 和 FMCW 激光雷达将在市场上并存。

9 {7 j) p9 C+ |! O% c2.2、技术：四大系统相辅相成
激光雷达主要由激光发射、激光操纵（扫描系统）、激光接收、信息处理四大系统要素构成。四大系统相辅相成，进而短时间内获取大量的位置点信息，并根据这些信息实现三维建模。

2.2.1、激光发射：EEL 向 VCSEL、905nm 向 1550nm 发展
3 Z, x% q1 u# M' T! u激光的产生来自于激光发射器。激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体。发射端从 EEL 向 VCSEL 发展。目前车载激光雷达大多采用半导体激光器，具体分为激光由边缘发出的边发射激光器（EEL）和激光垂直于顶面的垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySuRFace-EMItting Laser，简称 VCSEL）。EEL 激光器的发光面位于半导体晶圆的侧面，具备高光输出功率、散热性好等优势，但往往生产成本高且一致性难以保障；VCSEL 激光器的发光面与半导体晶圆平行，更容易与平面化的电路芯片键合，同时能够提高光调制的效率。与 EEL 相比，VCSEL 具备成本低、效率高、寿命长的优势，传统的 VCSEL 激光器存在发光密度功率低、测距距离不足 50m 的缺陷，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，这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提供了可能。
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