不同技术特点的激光雷达优缺点及市场现状

不同技术特点的激光雷达优缺点及市场现状（1）单线与多线激光雷达按照线数来分，分为单线和多线。单线激光雷达是指激光源发出的线束是单线的，扫描出来就是一个二维平面的图（2D激光），目前主要应用于机器人领域，以服务机器人居多，可以帮助机器人规避障碍物。相比多线激光雷达，单线激光雷达在角频率及灵敏度上反应更快捷，扫描速度快、分辨率强、可靠性高，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精准，同时成本更低。但单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，当前主要应用于我们常见的扫地机器人、送餐机器人以及酒店服务机器人身上。多线激光雷达是指同时发射及接收多束激光的激光旋转测距雷达，市场上目前有4线、8线、16线、32线、64线、96线、128线等，多线激光雷达可以识别物体的高度信息并获取周围环境的3D扫描图，主要应用于无人驾驶领域，对于激光雷达而言，线束越多，对目标物的刻画越详细。在无人驾驶领域，多线激光雷达主要有以下两个核心作用：3D建模及环境感知：通过多线激光雷达可以扫描到汽车周围环境的3D模型，运用相关算法对比上一帧及下一帧环境的变化，能较为容易的检测出周围的车辆及行人。SLAM定位加强：同步建图（SLAM）是其另一大特性，通过实时得到的全局地图与高精度地图中的特征物进行比对，能加强车辆的定位精度并实现自主导航。对于激光雷达而言，视场角（FieldOfView，FOV）越大，能够探测的范围越广。多线激光雷达中，机械式水平视场角为360°，.合.态/固.激.雷.水.视.角.约.120°，.直视.角大.为25°-40°。图表1：单线（2D）激光雷达原理资料来源：LiDARsensorfunctionalityandvariants图表2：多线（3D）激光雷达光线图资料来源：LiDARsensorfunctionalityandvariants图表3：单线扫描VS多线扫描资料来源：电子技术设计图表4：水平与垂直视场角（FOV）资料来源：电子技术设计，五矿证券研究所（2）ToF与FMCW激光雷达按照测距方法的不同，可以分为飞行时间（TimeofFlight，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在室外阳光下探测距离远（100~250m），更适合应用于车载激光雷达。目前市场车载中长距激光雷达的主流方案是ToF，FMCW激光雷达大多处于概念机的阶段，而且大多采用分立的光学组件，分立组件通常尺寸较大，随之而来的还有系统可靠性、生产成本、功耗等诸多问题，但FMCW激光雷达具有可直接测量速度信息以及抗干扰（包括环境光和其他激光雷达）的优势。当前装载激光雷达车辆并不多，随着激光雷达渗透率提升，FMCW抗干扰的优势就体现出来，此外整机和上游产业链日渐成熟亦将带动成本下降，因此FMCW激光雷达是未来发展的一大趋势。图表5：ToF与FMCW性能对比资料来源：OFweek（3）EEL与VCSEL对于激光雷达而言，发射光源有很多种，按工作介质不同，激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。固体脉冲功率大，转换效率最低（10%）。气体激光器效率低（20%）、功率低，体积庞大，但是可靠性好、光束质量高。半导体激光器光束质量较差，但是转换效率高（30%-40%），功耗、体积和成本都适合车载应用。如果对光束质量要求高，则可以采用半导体泵浦的光纤激光器（转换效率20%-30%）。目前常见的几种光源主要包括边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、固体激光器以及光纤激光器等。固体激光器采用固体激光材料作为增益介质，是闪光式车载激光雷达(FlashLiDAR)技术路线的激光光源方案，能够实现大角度视场（如125°x25°），并.均.照.，满.车.级.低.、震.、.命.可.性.求，常.于.光.车.激.雷.（FlashLiDAR）。半导体激光器采用半导体材料作为增益介质，一般是GaAs,AlGaAs,InGaAs等，常见的有EEL和VCSEL。EEL（EdgeEmittingLaser）是边发射激光器，是一种激光发射方向平行于晶圆表面的半导体激光器，波长以905nm为主，常见于扫描式激光雷达，包括机械式和MEMS激光雷达。VCSEL（Vertical-cavitySurface-emittingLaser）是垂直腔面发射激光器，是一种以半导体为基础的激光二极管，从其顶面垂直发射高效光束，制造工艺与EEL相兼容，且大规模制造的成本很低，生长结构更易于提高输出功率，还为各种复杂设计提供了可能，当前波长以810nm、850nm和940nm为主。。光纤激光器采用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，一般用作1550nm激光雷达光源，1550nm配合调频连续波（FMCW）的技术，不仅可以检测距离，同时可以利用多普勒频移来测量物体的速度。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50m）。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，此外VCSEL体积小，结合其平面化所带来的生产成本和产品可靠性方面的收益，VCSEL未来将有望逐渐取代EEL。图表6：EEL/VCSEL/光纤激光器对比资料来源：汽车测试网，HONKON，LaserLabSource目前EEL仍占据主流，根据Yole数据，2020-2026年，全球EEL市场规模预计将从29亿美元增长到67亿美元，CAGR为15%。其中光通信规模最大，预计将从17亿美元增长到47亿美元，CAGR为18%；显示、传感、医疗和照明领域预计将从5亿美元增长到12亿美元，CAGR为15%。图表7：2020-2026年EEL市场规模（分应用领域）资料来源：Yole，五矿证券研究所根据麦姆斯咨询数据，VCSEL下游各应用领域中，传感占比最大，为75%，其次是通信，占比24%，此外还包括制造领域的工业热处理、激光打印，以及计时领域的原子钟等。对于传感应用的VCSEL，2021年市场规模为10.3亿美元，在手机、汽车等下游需求拉动下，预计到2024年将增长至17.3亿美元。图表8：传感应用的VCSEL市场规模（亿美元）资料来源：麦姆斯咨询，五矿证券研究所图表9：2020年VCSEL下游应用占比资料来源：麦姆斯咨询随着汽车激光雷达的市场需求增长，多结VCSEL阵列成为全球领先厂商的重点布局产品。相比单结VCSEL，多结VCSEL的优势在于：1）提升PCE（电光转换效率），降低功耗；2）提供更高的功率密度，对光学系统设计更加友好；3）提高斜率效率，对激光驱动器更加友好；4）提供更高的峰值功率，扩大测距工作范围；5）降低激光器的“每瓦成本（CostperWatt）”。传感应用的VCSEL供应商中，国外厂商主要有Lumentum、II-VI、ams（Osram）、TRUMPF、博通等，中国厂商包括长光华芯、炬光科技、纵慧芯光、睿熙科技、华芯半导体、度亘激光、老鹰半导体、博升光电、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能、仟目激光、乾照光电、华立捷等。图表10：传感应用的VCSEL发展趋势资料来源：麦姆斯咨询图表11：传感应用的VCSEL产业链资料来源：麦姆斯咨询根据Yole数据，2021-2026年，全球VCSEL市场规模预计将从12亿美元增长到24亿美元，CAGR为13.6%。其中手机等消费电子领域规模最大，预计将从8.0亿美元增长到17亿美元；汽车领域规模不大，但是增速最高，预计将从110万美元增长到5700万美元，CAGR为121.9%。根据TechnoSystemsResearch数据，2019年全球智能机TOF镜头VCSEL厂商排名中，德国Osram占比37%，排名第1；纵慧芯光占比32.6%，排名第2，同时也是中国排名第1的厂商；美国Lumentum占比17.4%，排名第3；韩国LGInnotek占比10.9%，排名第4；奥地利ams占比2.2%，排名第5（ams已于2020年7月收购Osram）。图表12：2021-2026年VCSEL市场规模（分应用领域）资料来源：Yole图表13：2019年全球智能机TOF镜头VCSEL厂商市占率资料来源：TechnoSystemsResearch（4）905nm与1550nm由于要避免可见光对人眼的伤害，激光雷达选用的激光波长有两种选择，一个是1000nm内的，典型值是905nm，可以用Si做接收器，成本低且产品成熟，尺寸也相对较小，是大多数激光雷达厂商更倾向的选择；但是其抗天气干扰能力却偏弱，对雨雾的穿透力不足，最重要的是905nm激光源在人眼安全方面存在风险。在实际使用过程中，如果要提升激光雷达的探测距离，就必须提高发射激光的功率，从而发射更强的光脉冲，虽然905nm激光属于不可见光，但当其直射人类眼球，并具有足够的能量时，就会损伤人类的视网膜。因此，以905nm激光为激光源的激光雷达必须在探测距离与人眼安全之间进行权衡。还有一种是1000-2000nm之间的，典型值是1550nm，这个波段Si无法探测，需要用Ge或者InGaAs探测器，成本会更高些，1550nm激光源的波长更长，能量更低，其在光谱红外线部分距离可见光波段更远，因此对人眼不会有太大的危害。这也就意味着，以1550nm激光为激光源的激光雷达可以以更高的功率发射激光进行探测，目前Luminar、图达通、镭神科技、一径科技、北醒光子等公司纷纷布局了1550nm激光。一般情况下，1550nm激光雷达的激光器功率约为传统905nm激光雷达的40倍，但由于1550nm激光雷达采用铟镓砷（InGaAs）近红外探测器，比905nm所使用的硅基光电探测器更昂贵，因此1550nm激光雷达的生产成本也相对较高。目前905nm由于成本优势，仍然占据主导地位，根据Yole数据，905nm占比69%，1550nm占比14%。未来随着对探测距离要求提升，以及量产带来的成本降低，1550nm有望获得更广泛应用。图表14：905nmVS1550nm激光器性能对比资料来源：LEDinside图表15：汽车激光雷达各光源波长市占率资料来源：Yole（5）机械式、混合固态、固态按照扫描方式的不同，激光雷达分为机械式、混合固态和固态激光雷达。机械式激光雷达是在自动驾驶汽车上最先应用的激光雷达产品，顾名思义，就是通过部件的机械旋转来完成激光扫描的，通过持续旋转发射部件，原本呈线状扫描的激光束实现了面状扫描，进而达到了全方位的3D扫描。机械式激光雷达具有扫描速度快、接收视场小、可承受激光功率高的优势。如今机械激光雷达技术相对成熟，但价格昂贵。混合固态激光雷达的激光收发模块是不运动的，只有扫描模块在运动。按扫描模块的运动方式划分，混合固态又分为MEMS、转镜式和棱镜式三种。固态激光雷达则完全取消了机械式扫描机构，完全通过电子的方式完成水平和垂直方向上的扫描，内部结构没有任何运动部件，可靠性高、耐久性强，大大缩小了激光雷达的体积和价格，具体又分为光学相控阵（OPA）和闪光（Flash）两种。未来随着技术逐渐走向成熟，有望成为自动驾驶的标配。目前机械式激光雷达仍占据主流，根据Yole数据，机械式占比66%，混合固态MEMS占比17%，固态Flash占比10%，其他占比7%。我们认为，机械式激光雷达技术相对成熟，但是成本高、体积大、可量产性低，并不太适合未来的自动驾驶。混合固态激光雷达目前技术相对成熟，能兼顾成本、性能、车规等要求，但抗冲击可靠性存疑，长远来看，仅属于过渡产品。固态激光雷达中，Flash受限于元器件性能，无法实现远距离探测，OPA技术壁垒高，但长远看，固态激光雷达结构简单、尺寸小、扫描精度高、扫描速度快，固态化、小型化、低成本化将是未来激光雷达的发展趋势，未来随着成本逐步降低，固态激光雷达有望成为主流应用。图表16：各类激光雷达工作原理资料来源：ChipScaleReview图表17：汽车激光雷达各扫描方式市占率资