一、汽車激光雷達介紹

（一）激光雷達概念

激光雷達（Light Detection and Ranging, LiDAR）是一種以激光作為(wei) 輻射源的探測技術和係統，能夠通過激光器和探測器組成的收發陣列，發射激光光束並接收回波信號，對所處環境進行實時感知；結合測量周圍物體(ti) 的位置、距離、角度等相關(guan) 數據，直接獲取被測物體(ti) 表麵三維坐標及精確距離、速度信息，實現空間三維場景重建。此外，通過結合預先采集的高精地圖，可實現高精度定位與(yu) 導航。

Ouster Flash 激光雷達示意圖

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

根據觀研報告網發布的《中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）》顯示，激光雷達通過激光探測及點雲(yun) 技術實現對被測物體(ti) 的主動精確測量。點雲(yun) 測繪技術是指通過大量離散點集合來表示空間內(nei) 物體(ti) 坐標和分布的一種技術，點雲(yun) 通常包含有位置、反射率、時間戳等信息。激光雷達發射端在激勵源的作用下，向被測物體(ti) 發射激光並在表麵引起散射，其中一部分光反射回接收模塊並被光電探測器接收，經由信號調理電路傳(chuan) 輸到信息處理係統進行處理計算，實現測距功能。同時，激光雷達在較短時間內(nei) 對被測物體(ti) 不斷掃描所獲的三維坐標，以掃描點形式反映分布在三維空間中形成點雲(yun) ，進而通過數據建模和成像處理，能夠得到精確的三維立體(ti) 圖像。

激光雷達測距原理示意圖

數據來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

（二）激光雷達對比

當前，應用於(yu) 智能汽車周圍環境感知的主流傳(chuan) 感器包括攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達和激光雷達。

攝像頭是一種畫麵傳(chuan) 感器，主要功能是拍攝、識別目標物體(ti) ，提供視覺信息。攝像頭能夠通過拍攝獲取車輛周圍的實景畫麵，提取出形狀、顏色等信息，通過深度學習(xi) 算法對車輛、行人、標識等進行識別。攝像頭具有較高的角度分辨率，但受光照影響較大，目標識別與(yu) 測距準確度方麵對算法有較強依賴。

毫米波雷達采用發射毫米波段電磁波的方式，根據發射頻率與(yu) 接收頻率之差，對相對距離、速度、方向等進行測量。毫米波雷達就有同時測距和測速的功能，有效探測距離可達200米，但是單顆角度分辨能力較弱，對非金屬材料的探測靈敏度較弱，導致在人車混雜場景中對行人探測效果不佳。

超聲波雷達采用發射聲波脈衝(chong) 的方式，根據發射波和回波之間的時間差，對距離進行測量。超聲波經由障礙物反射，通過接收、放大、轉換數字信號等步驟完成測距。超聲波雷達成本相對較低，但其有效探測距離通常小於(yu) 5米，無法對中遠距離物體(ti) 進行測量。

相較於(yu) 其他傳(chuan) 感器，激光雷達具有測距遠、精度高、角度分辨率高、受環境光照影響小等特點，同時可直接獲得被測物體(ti) 的位置信息，無需依賴深度學習(xi) 算法，能夠顯著提升自動駕駛係統的可靠性。

不同傳(chuan) 感器優(you) 缺點對比

數據來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

二、汽車激光雷達技術發展

（一）核心模塊

激光雷達核心模塊包括發射模塊、接收模塊、掃描模塊（機械式和半固態式）和主控模塊。其中，發射模塊包括激光器及驅動、發射光學係統，用於(yu) 發射探測激光束；接收模塊包括接收光學係統、探測器及模擬前端，用於(yu) 探測反射信號並進行放大；掃描模塊包括掃描器及驅動，主要用於(yu) 機械式和半固態式激光雷達中，實現發射光束的偏轉掃描；主控模塊涉及時序控製、波形算法處理、其他功能模塊控製、生成點雲(yun) 數據等功能。

激光雷達核心模塊示意圖

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

（二）激光光源

發射模塊中，激光光源是核心器件之一，半導體(ti) 激光器是常用光源。半導體(ti) 激光器使用半導體(ti) 材料作為(wei) 工作物質，采用半導體(ti) 工藝實現激光輸出。半導體(ti) 激光器根據諧振腔製造工藝的不同，分為(wei) 邊發射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）和垂直腔麵發射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。

EEL激光器的激光發射方向平行於(yu) 晶圓表麵，在芯片的兩(liang) 側(ce) 鍍光學膜形成諧振腔，激光平行於(yu) 襯底表麵發出。VCSEL激光器的激光發射方向垂直於(yu) 晶圓表麵，在芯片的上下兩(liang) 麵鍍光學膜形成諧振腔，激光垂直於(yu) 襯底表麵發出。

EEL芯片（左）與(yu) VCSEL芯片（右）示意圖

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

激光光源選擇需綜合考慮激光雷達的技術方案、實際應用環境、性能及成本需求等因素。EEL激光器具有高發光功率密度和高脈衝(chong) 峰值功率，芯片輸出功率及電光效率較高，適用於(yu) APD（雪崩式光電二極管）探測器。VCSEL激光器具有低閾值電流、穩定單波長工作、可調頻調製、波長漂移小等優(you) 點，生長結構更易於(yu) 集成為(wei) 芯片級二維陣列，製造成本低，適合大規模生產(chan) ，適用於(yu) SPAD（單光子雪崩二極管）探測器陣列。

不同激光器性能及參數對比

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

常見的車載激光雷達波長為(wei) 905nm或1550nm，以905nm較為(wei) 主流。據Yole數據，在2021年汽車與(yu) 工業(ye) 領域激光雷達市場份額中，905nm占69%，1550nm占14%。905nm光源優(you) 勢在於(yu) 接收端可以使用矽基探測器，具有低成本、工藝成熟等優(you) 點；但其在10%反射率下最大探測距離多為(wei) 150-200米，已接近人眼安全限製功率下的極限探測距離。而1550nm光源相較於(yu) 人眼更加安全，此波長下可以使用更大的光功率來實現更遠的探測距離，但成本上相對更加昂貴。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

短期內(nei) 大多數激光雷達廠商選擇使用905nm波長的EEL激光器結合ToF探測技術，因為(wei) 其具有較為(wei) 現成的可用性，可為(wei) 車載激光雷達大規模商用提供較高性價(jia) 比，同時也有部分廠商在近距離Flash激光雷達中使用VCSEL激光器。未來，FMCW探測技術不斷成熟將帶動1550nm光源、固態式激光雷達推進將帶動VCSEL激光器成為(wei) 實現高性能激光雷達量產(chan) 解決(jue) 方案的選擇。

采用不同激光光源的激光雷達廠商

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

（三）掃描技術

根據技術架構的差異及掃描方式的不同，激光雷達主要分為(wei) 機械式激光雷達、半固態式激光雷達以及固態式激光雷達。

機械式激光雷達又稱機械旋轉式激光雷達，通過電機帶動收發模塊、掃描模塊同時進行整體(ti) 旋轉，實現對空間視場360°範圍的覆蓋掃描。由於(yu) 機械式激光雷達帶有機械式轉台，因此存在物理磨損、壽命較短、體(ti) 積較大等缺點。

半固態式激光雷達的收發模塊靜止，僅(jin) 掃描模塊發生機械運動，掃描模塊通過轉鏡、棱鏡或MEMS（微振鏡）等結構的運動，完成發射光束的空間偏轉，從(cong) 而實現掃描和探測。由於(yu) 半固態式激光雷達收發模塊與(yu) 掃描模塊解耦，體(ti) 積更為(wei) 緊湊，適用於(yu) 部分視場角（如前向）的探測。轉鏡、棱鏡方案中，電機帶動對應光學部件進行運動，從(cong) 而將光束反射至空間一定範圍中實現掃描。MEMS方案中，反射鏡在內(nei) 的機械部件利用半導體(ti) 工藝全部集成在單個(ge) 芯片上，通過驅動信號來控製反射鏡的擺動或偏移，實現對發射光束的控製，因此具有體(ti) 積小、頻率高、振幅小、可靠性強等優(you) 點。

固態式激光雷達內(nei) 部無任何機械運動模塊，不含機械掃描器件，體(ti) 積最為(wei) 緊湊，適用於(yu) 部分視場角（如前向）的探測。固態式激光雷達包括Flash方案、OPA（Optical Phase Array）方案等。Flash方案，即泛光麵陣式方案，通過短時間內(nei) 直接發射出一大片激光覆蓋探測區域，再利用高靈敏度探測器接收反射光，記錄每個(ge) 像素點的飛行時間並進行成像，從(cong) 而完成測距及對環境信息的采集。OPA方案，即光學相控陣方案，由若幹發射接收單元組成陣列，通過調節陣列移相器中每個(ge) 移相器的相位，利用相幹原理，在特定方向上產(chan) 生互相加強的幹涉光束，從(cong) 而實現發射光的偏轉及一定空間範圍內(nei) 的掃描。

據Yole數據，在2021年汽車與(yu) 工業(ye) 領域激光雷達市場份額中，機械式、MEMS方案、Flash方案占比分別為(wei) 66%、17%、10%。雖然目前市場份額中仍以機械式為(wei) 主，但其體(ti) 積、壽命等缺點難以滿足車規要求。MEMS方案等半固態式激光雷達產(chan) 品成熟度較高、易過車規，逐漸成為(wei) 車企的主流選擇。Flash方案具有體(ti) 積小、精度高、速度快等優(you) 點，是目前固態式激光雷達的主流方案。OPA方案由於(yu) 存在旁瓣效應，加工精度要求高，製造工藝難度大，進展相對緩慢；但OPA方案結合FMCW測距法具有可直接測量待測物體(ti) 速度信息、抗幹擾能力強、具備大規模生產(chan) 潛力等優(you) 勢，是未來重要的發展方向。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）

（四）接收模塊

根據選用光電探測器的不同，激光雷達接收模塊主要包括PD（PIN Diode）光電二極管、APD（Avalanche Photo Diode）雪崩式光電二極管、SPAD（Single Photon Avalanche Diode）單光子雪崩二極管和SiPM（Silicon Photo-Multiplier）矽光電倍增管。與(yu) 普通二極管反向截止特性不同，光電二極管在反向電壓作用下工作，無光照時存在微弱暗電流，有光照時迅速增大為(wei) 光電流，將光信號轉化為(wei) 電信號。PD、APD、SPAD均是基於(yu) PN結的光電二極管，工作在不同的電壓區間。PIN是在PN結的P區與(yu) N區之間摻入濃度很低的I型半導體(ti) ，吸收光輻射而產(chan) 生光電流的一種光電探測器。PIN施加較小的反向偏置電壓後，耗盡區在本征層中擴展，穩定後無移動的電荷載流子。當光子進入I區被吸收後產(chan) 生電子-空穴對，在耗盡區勢壘電場作用下電荷載流子沿相反方向移動，從(cong) 而產(chan) 生電流。APD工作在線性模式（Linear Mode），偏置電壓較高，接近但低於(yu) 反向擊穿電壓。通過施加反向電壓產(chan) 生內(nei) 部增益，當光子進入後，二極管將產(chan) 生較大電流，因此可以測量低水平的光信號，同時具備較好的線性。相較於(yu) PIN，APD具有更高信噪比、快速相應、低暗電流和高靈敏度的特點。SPAD工作在蓋革模式（Geiger Mode），偏置電壓高於(yu) 擊穿電壓。即使僅(jin) 一個(ge) 光子進入後，二極管持續處於(yu) 反向擊穿狀態，產(chan) 生特定於(yu) 元件的飽和輸出電流，表現出無窮大的增益，因此具備單光子探測能力。

SiPM是由多個(ge) 工作在蓋革模式下的SPAD傳(chuan) 感器陣列組成的新型光電探測器件。根據SiPM的電路結構圖顯示，其作為(wei) 一個(ge) 像素的基本單元是蓋革模式下的SPAD與(yu) 淬滅電阻的組合，通過排列和連接進而形成大量的二維陣列。與(yu) 隻能檢測單個(ge) 光子的SPAD不同，SiPM通過基本單元克服單光子限製，具有在高動態範圍內(nei) 的多光子檢測能力。

APD是最早用於(yu) 車載激光雷達的光電探測器之一，已被大多數廠商采用。SPAD具有靈敏度高、噪聲低、時間分辨率高等優(you) 勢，並且能夠進行單片集成或封裝級集成，實現片上係統。SiPM由於(yu) 工藝難度較高雖暫未大規模采用，但其具備高增益、高靈敏度、高檢測效率等優(you) 點，具備高性能光子計數能力，能夠完成從(cong) 單個(ge) 光子到數千個(ge) 光子的檢測應用，隨著未來工藝水平的提高，將會(hui) 成為(wei) 重要的發展方向。

（五）未來趨勢

固態VCSEL+SiPM是未來激光雷達的發展趨勢。目前激光雷達各技術路徑尚未收斂，各家廠商均在探索不同的發展方向。長期來看，固態激光雷達不存在任何運動裝置，性能穩定、可靠性強，因此激光雷達未來將會(hui) 朝著小型化、高性能、低成本的純固態方案演進。隨著半導體(ti) 工藝在激光雷達模塊中的不斷應用，未來VCSEL與(yu) SPAD/SiPM等光電器件的成熟與(yu) 配合將不斷促進激光雷達收發模塊向陣列化、集成化發展。

三、汽車激光雷達市場規模預測

下遊行業(ye) 的發展，將帶動國內(nei) 激光雷達市場的發展。從(cong) 無人駕駛領域來看，據相關(guan) 研究報告顯示，中國將是全球最大的自動駕駛市場，到2030年中國自動駕駛乘用車數量將達到800萬(wan) 輛，自動駕駛將占到乘客總裏程（Passenger Kilo Meters Travelled，PKMT）的約13%，基於(yu) 自動駕駛的出行服務訂單金額將達2,600億(yi) 美元。國內(nei) 企業(ye) 如百度、滴滴、小馬智行、文遠知行等已在多個(ge) 城市開展無人駕駛出租車業(ye) 務的試運營，預計商業(ye) 化應用後對激光雷達的需求將進一步增長；從(cong) 高級輔助駕駛領域來看，中國是全球最大的新車銷售市場，2020年11月發布的《智能網聯汽車技術路線圖（2.0版）》明確指出到2030年我國L2和L3級滲透率要超過70%，這將對激光雷達產(chan) 生巨大的需求；從(cong) 服務型機器人領域來看，受無人物流、無人清潔、無人作業(ye) 等需求的推動，中國市場對於(yu) 服務型機器人及其搭載的激光雷達同樣擁有巨大的潛力；從(cong) 車聯網領域來看，當前“新基建”計劃總投資額高達34萬(wan) 億(yi) 元，其中“5G+車聯網”協同發展受到國家政策大力推動，多地出台重點項目投資計劃並開展智能網聯示範道路的建設，例如浙江投資約707億(yi) 元建設首條無人駕駛智慧高速——杭紹甬高速公路，此外中國智慧城市項目數量約占據全球總數一半，“新基建”車聯網的發展對激光雷達的需求將保持穩定增長。

早期機械式激光雷達難以應用於(yu) 乘用車上，半固態激光雷達仍處於(yu) 車規驗證中，因此上車進展緩慢。進入2022年，半固態激光雷達的成熟使其在乘用車市場逐漸爆發，隨著主機廠對激光雷達功能開發的深入以及激光雷達成本的降低，激光雷達搭載車型數量將在短時間內(nei) 保持較高增速；而Robotaxi也在政府及下遊企業(ye) 的共同推動下持續開城，測試及運營車隊數量將保持穩定增長。車載激光雷達市場有望自2022年6.54億(yi) 元增長至2029年121.93億(yi) 元，實現51.89%的年複合增長率。

資料來源：中國汽車激光雷達行業(ye) 發展現狀研究與(yu) 未來投資預測報告（2022-2029年）