汽车激光雷达行业专题研究：百家争鸣，量产在即

（报告出品方：国海证券）

1、 激光雷达：精确测量传感器，智能驾驶为主要驱动力

1.1、 发展五十余载，智能驾驶应用推动技术革新

激光雷达是结合了光学、电子、机械、软件、芯片、器件等技术，可以进行环境 探测、数据处理和传输的智能传感器。激光雷达由发射系统、接收系统、信息处 理系统和扫描系统组成。发射系统中的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；经接收光学系统，光电探测器接收目标物体反射 回来的激光，产生接收信号；接收信号经过放大处理和模数转换，经由信息处理 模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。扫描系统 对所在的平面扫描，并产生实时的平面图信息。

激光雷达自诞生以来经历了五个发展阶段：（1）1960 年代-1970 年代：激光器 诞生，基于激光的探测技术开始发展，这一时期激光雷达主要用于科研及测绘， 1971 年阿波罗 15 号载人登月任务使用激光雷达对月球表面进行测绘。（2）1980 年代-1990 年代：激光雷达商业化起步，开始用于工业探测和早期无人驾驶项目， 这一时期西克和北洋等厂商推出单线扫描式 2D 激光雷达产品。（3）2000 年代2010 年代早期：高线数激光雷达开始用于无人驾驶的避障和导航，激光雷达主 要应用于无人驾驶测试项目等。此时市场内主要为国外厂商。（4）2016 年-2018 年：国内厂商入局，激光雷达技术方案多样化发展。此时激光雷达主要用于无人 驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人等，且下游开始有商用化项目落地。（5）2019 年至今：市场发展迅速，产品性能持续优化，应用领域持续拓展。激光雷达技术 朝向芯片化、阵列化发展。境外激光雷达公司迎来上市热潮，同时有巨头公司加 入激光雷达市场竞争。

激光雷达产业链上游主要为激光器、探测器、扫描器和光学芯片等组件，中游市 场按照所生产激光雷达在扫描系统所使用不同技术路线可分为机械式激光雷达、 MEMS 激光雷达、Flash 激光雷达和 OPA 激光雷达等，下游应用市场主要分为 智能驾驶、服务型机器人和测绘等领域。

1.2、 智能驾驶为主要驱动力，市场空间广阔

1.2.1、 智能驾驶不断发展，多重优势促进使用

智能驾驶采用不同类型的传感器实现车辆对周边道路、行人、障碍物、路侧单元 及其他车辆的感知，在不同程度上实现车辆安全、自主、智能驾驶，是激光雷达 的重要应用场景，可根据驾驶员与自动驾驶系统参与程度分为五个等级。

典型的智能驾驶系统包括环境感知、决策规划和控制执行三大部分。其中环境感 知系统主要包括摄像头、超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达等传感器。

激光雷达性能好、精度高，或为智能汽车核心传感器。激光雷达常应用于高精度 电子地图和定位、障碍物识别、可通行空间检测、障碍物轨迹预测等方面，具备 分辨率高、探测范围广、信息量丰富等优势，或为实现汽车智能驾驶的核心装置。

智能汽车激光雷达需求有望随驾驶自动化水平提升不断增加。当前驾驶自动化 水平正处于不断提升的过程中，据 ICV Tank，全球高级别自动驾驶渗透率呈上 升趋势，即搭载激光雷达的智能汽车销量有望提升。据麦姆斯咨询，L3、L4 和 L5级别自动驾驶则分别需要搭载 1 颗、2-3颗与 4-6 颗激光雷达，随驾驶自动 化水平提升单车激光雷达搭载数量不断增加。

自 2020 年年底开始，各大车企陆续宣布激光雷达装车，2021 年起激光雷达开 始规模化进入汽车前装市场，2022 年车载激光雷达有望迎来放量元年。

1.2.2、 移动机器人、智慧城市与测绘为典型应用，与车载领域相比性 能需求不同

服务型机器人、智慧城市及测绘是激光雷达的典型应用场景，对激光雷达性能有 不同要求。例如应用于工业领域的 YDLIDAR 激光雷达测距最远为 30 米，应用 于测绘等领域的华测导航激光雷达最远测程可达 1350 米，与禾赛科技车载领域 典型产品 Pandar128 测距能力 200 米完全不同。据沙利文，2019 年国内和全球 智慧城市与测绘领域在激光雷达市场份额中占比最高，分别达 70%和 61%。

政策支持机器人行业发展，移动机器人有望受益。借助强大的内置感知系统及控 制系统，移动机器人能够完成多种无人作业，从而减轻对人力的依赖，提高生产 效率。为推进我国机器人产业发展，有关部门相继制定发布了一系列政策，例如 2021 年 12 月，工信部等部门发布《“十四五”机器人产业发展规划》，争取 2025 年我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地， 2035 年我国机器人产业综合实力达到国际领先水平。

技术不断成熟与人力成本上涨共同促进服务机器人发展，2026 年全球市场规模 有望达到 2126 亿美元。服务机器人执行除工业自动化应用外的多种任务，随科 技进步服务机器人不断融入智能语音、AI 算法、通讯、大数据、物联网等新技 术，能力逐步提升的同时生产成本不断下降；同时人力成本的上升进一步降低了 服务机器人的应用成本，因此在许多领域服务机器人替代人工已成为新的发展趋势。据 Mordor Intelligence 预测，2026年全球服务型机器人市场规模有望达到 2126.2 亿美元，2021-2026 年 CAGR 达 44.9%。据中商产业研究院，2022 年 我国服务型机器人市场规模有望达到 542.3 亿元，同比增长 38.4%。

激光雷达是自主移动机器人实现建图、定位、导航、避障等功能的核心部件， 2025 年全球移动机器人领域激光雷达市场规模有望达到 7 亿美元。服务机器人 环境感知、定位建图、导航避障等解决方案采用的环境感知传感器主要是激光雷 达和深度摄像头，典型产品如 YDLIDAR TG30 激光雷达测距半径可达 30 米， Intel 深度摄像头 D455 测距半径为 6 米，或对应不同的应用场景。据沙利文预 计，2025 年全球移动机器人领域激光雷达市场规模有望达到 7 亿美元。

激光雷达在智慧城市与测绘领域应用包括实景三维城市、大气环境监测和智能 交通等，2025 年全球市场规模有望超过 45 亿美元。测绘方面，通过激光雷达采 集三维空间数据并处理得到具有坐标信息的影像数据，进而实现实景三维建模已成为主流发展方向。大气环境监测方面，可通过激光雷达探测气溶胶、云粒子的 分布、大气成分和风场的垂直廓线，进而有效监控主要污染源。智能交通方面， 可通过激光雷达对道路进行连续扫描并获得实时动态的车流量点云数据并处理 得到车流量等参数，进而实现智能交通控制。据沙利文预测，2025 年全球智慧 城市与测绘领域激光雷达市场规模有望超过 45 亿美元。

2、 车载应用：当前处于发展期，技术路线多样

2.1、 测距方式：ToF 为当前主流，FMCW 仍处于发展 期

ToF(Time of Flight)与 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)能 够实现室外阳光下较远的测程（100~250m），是车载激光雷达的优选方案。ToF 是目前市场上车载中长距激光雷达的主流方案，FMCW 激光雷达整机和上游产 业链仍处于发展期。ToF 即飞行时间测距方法，通过测量光等信号在发射器和反射器之间的“飞行时 间”来计算出两者间距离。ToF 激光雷达系统主要包括发射模块、接收模块、控 制及信号处理模块和扫描模块，通过激光器发射激光并利用二极管检测目标物体 反射的激光回波，通过高精度计时器测量激光发射与接收到目标物体反射回波的时间差，进一步用时间差乘以光速即可得到目标物体的相对距离。

ToF 测距方法又可分为脉冲式激光测距（direct Time of Flight ,dToF)和相位式 激光测距（indirect Time of Flight ,iToF）。dToF 采用直接测量飞行时间的方式 测距，发射模块向周围环境发射脉冲波并通过接收模块接收目标物体反射回波， 记录发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔，并对多次记录的飞行时间做直方图统 计，即可采用频率较高的飞行时间计算测量的距离。

FMCW 测距方法通过发送和接收连续激光束，把反射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。激光束击中目标物后被反射，当发射模组与目标存在相对速度时，反射光会 附加相应的多普勒频率，将反射光和本地光做干涉并利用混频探测技术测量出频 率差之后，可以结合发射信号的调频斜率计算出物体的距离信息。

FMCW 与 ToF 技术相比具备灵敏度高、探测距离远、抗干扰能力强、能够直接 测速的优点，FMCW 激光雷达的硅光芯片化或为发展趋势。

在短期很难达到较高集成度的情况下，FMCW 激光雷达成本较高。FMCW 使用 相干探测，要求光学器件表面的公差在/20 以内，光学元件成本较高。FMCW 对 ADC 转换速率的要求是 ToF 系统的 2~4 倍，同时要求 FPGA 能够接收数据 并进行高速 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。

FMCW 激光雷达芯片化有望推动成本下降，光勺科技预计 2025 年可达 1500 元。国外企业包括 AEVA、Aurora、mobileye、Strobe、Scantinel 等，国内企业包括 洛微科技、禾赛科技、北京光勺科技等对 FMCW 激光雷达有所布局：AEVA 预 计 2023 年量产；Mobileye 预计 2024 年量产、2025 年左右实现芯片化；光勺 科技预计 2025 年实现 FMCW 激光雷达芯片化，成本达 1500 人民币。

2.2、 发射模块：VCSEL 易于集成功率密度低，FMCW 光源处于发展期

EEL（Edge Emitting Laser）边发射激光器具有高发光功率密度的优势，但因其 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，比较依赖产线 工人的手工装调技术，生产成本高且一致性难以保障。VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)垂直腔面发射激光器具有易于二维 集成、阈值低、光束质量好、调制频率高、寿命长、单模工作稳定、易于实现低 温漂系数等优点。然而传统的 VCSEL 激光器存在发光功率密度低的缺陷，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）。

VCSEL 激光器自上而下包括 P 型欧姆接触电极、P 型掺杂的分布式布拉格反射 镜(DBR)、氧化限制层、多量子阱有源区、N 型掺杂 DBR、衬底以及 N 型欧姆 接触电极。量子阱有源区位于 n 型掺杂和 p 型掺杂的 DBR 之间。DBR 反射镜 具有大于 99%的反射率。有源区的光学厚度为 1/2 激光波长的整数倍，通过 Pcontact 向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在 DBR 中往复被反射并谐振 放大，从而形成激光。

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。2021 年，Lumentum 发布了新款高功率、高效 率的五结和六结 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。功率密度提升为应用 VCSEL 开发长 距激光雷达提供了可能，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 未来有望取代 EEL。FMCW 激光雷达的光源不同于 ToF 激光雷达，窄线宽的线性调频光是实现相干 检测的基础。目前商用的能够实现窄线宽输出的激光器有四种类型：分布式反馈 激光器（DFB）、分布式布拉格反射激光器（DBR）、外腔激光器以及通过窄线宽 激光器的种子元加上外调制的方案。

然而，上述四种解决方案各自存在问题，DFB 激光器、DBR 激光器频率功率起 伏大、线性度差，外腔激光器量产困难，外调制方案各项性能最优，但成本过高 难以实现商业化。同时，以上方案还共同存在功率不足的问题。FMCW 激光雷 达的光源解决方案仍处于发展期。

2.3、 扫描模块：全固态处于发展期，有望推动成本下行

根据扫描系统方案，激光雷达可分为机械式、混合固态（包括转镜式、MEMS） 和全固态（包括 Flash 和 OPA）。机械激光雷达的发射系统和接收系统通常存在宏观意义上的转动，通过不断旋转 发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光，形成多个面，达到动态扫描并动态接收信息的目的。机械式激光雷 达具有技术成熟、扫描速度快、360°扫描等优点，同时也面临体积重量大难过 车规、可量产性差、成本高等问题。

转镜式激光雷达类似机械式，其保持收发模块不动，通过无刷电机带动转镜运动， 将激光反射到不同的方向实现一定范围内激光的扫描。由于无刷电机已在工业中 广泛应用多年，部件稳定性已有可靠验证，且供应链较为成熟，因此转镜式扫描 模块可实现快速应用。相比纯机械式激光雷达，转镜式激光雷达结构简单、体积 相对较小、易于量产、易过车规，是自动驾驶上应用较多的方案。但由于电机为 金属机械部件，因此在体积的小型化发展上受限，且成本下降空间有限，目前主 要依靠工程设计对转镜方案进行改进，形成如棱镜、多面镜等不同转镜方案。

MEMS 激光雷达使用微振镜替代机械式产品中的宏观扫描装置，将机械部件集 成到单个芯片，有望成为当前主流方案之一。MEMS 激光雷达具备多方面优势， 如 MEMS 微振镜帮助激光雷达摆脱了机械装置，有效减小了激光雷达的尺寸；MEMS 微振镜的使用能够减少激光器和探测器的数量，降低激光雷达的成本；MEMS 微振镜在其他领域有着多年的商业化应用，商业化较为成熟。

MEMS 激光雷达的微振镜芯片技术门槛相对较高，且由于 MEMS 微振镜的尺寸 和偏转角度较小，MEMS 激光雷达视场角偏小。

Flash 激光雷达优点是无扫描器件、成像速度快，缺点是激光功率受限、探测距 离近、抗干扰能力差。Flash 激光雷达利用激光器同时照亮整个场景，对场景进 行光覆盖，一次性实现全局成像，故也称为闪烁式激光雷达，工作原理与数字照相机类似。

OPA（光学相控阵）是一种新兴技术，由紧密排列的光学天线阵列构成，并在宽 角度范围内发射相干光，然后通过调节每个天线发射的光的相对相位来改变产生 的干涉图样。OPA 激光雷达取消了机械结构，激光控制集成在一块 OPA 芯片， 具有体积小，结构简单，可以动态控制扫描频率、分辨率和焦距，多线多维扫描 能获得更高的数据采集率等优点。但采用 OPA 路线的企业需要自主研发芯片， 上游核心电子元器件、技术支持不成熟，制造工艺复杂，短期产业化难度较大。

OPA 扫描方式或与 FMCW 测距方式有着较好适配性。ToF 激光雷达峰值功率通 常在 40-50W，容易导致硅光芯片受损，而 FMCW 对峰值功率的需求只有百毫 瓦级别，远低于 ToF，未来 OPA 扫描方式或更适合采用 FMCW 光源。

未来激光雷达扫描系统或朝高性能、低成本、轻量化、全固态化方向发展，随着 技术成熟度的不断提高，量产成本较低、性能较好的纯固态方案有望逐渐受到激 光雷达厂商青睐。转镜式与 MEMS 方案是目前激光雷达市场的主流，Flash 方 案目前或适用于中短距补盲雷达，OPA 方案未来有望在车载领域实现商用。

2.4、 探测模块：SPAD/SiPM 具有更高灵敏度

激光探测的核心器件是光电探测器，能把光能转换成电信号，主要要求包括频带 宽、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低等。激光雷达探测器主要分为光电二极 管（PD）、雪崩二极管（APD）、单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM) 四种，APD 目前是激光雷达的主流探测器。SPAD 工作在盖革模式，能够达到 106 量级的增益。SiPM 由 SAPD 阵列并联组 成，SPAD 有更高的灵敏度，仅能判断是否感知到激光，SiPM 的灵敏度相对较 低，但能区分激光强度的大小。在相同的分辨率要求下，SiPM 相比 SPAD 阵列 的面积较大。此外，SiPM 作为硅基传感器，感知波长一般小于 1000nm。

与 APD 相比，SPAD/SiPM 具有灵敏度高、结构紧凑等优点。SPAD/SiPM 可探 测距离超过 200m、5%的低反射率目标，在明亮的阳光下也能工作，在具备较高 分辨率的同时可采用小光圈与固态设计集成到汽车中，正成为新兴激光雷达探测 器。目前，国内外多个激光雷达探测器厂商对 SPAD/SiPM 探测器有所布局， Flash 激光雷达也较多采用 VCSEL 加 SPAD 的方案。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议）

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