中小盘主题：激光雷达技术篇：百花齐放到量产落地

激光雷达蓄势待发，产业路径逐渐明晰 激光雷达即将大规模量产，转镜/MEMS方案用作远距离探测主雷达，Flash作为补盲雷达的产品形态有望维持，远期纯固态的OPA+FMCW有望成为激光雷达行业终局。激光雷达即将进入大规模量产前夜，目前转镜和MEMS方案具有较为均衡的性能指标、成熟的供应链体系及相对可控的成本、并且更容易满足车规要求，成为中短期可以大规模推广的两大方式，产业链公司有望迎来机会。 Flash方案由于短期探测距离有限、低成本、纯固态等特点有望在相当长一段时间内作为补盲雷达。而远期FMCW+OPA方式有望凭借其超越现有方案极限的性能以及低廉的成本和纯固态化结构下的高稳定性成为激光雷达行业的终局。 测距方式：TOF是目前主流，FMCW前景广阔 TOF测距方式简单易用、成本低，是目前主流的测距方法，FMCW测距方式性能优异，但技术壁垒高短期难以实现。目前市场上的玩家主要采用TOF方式测距。FMCW发射功率低，信噪比高，同时具有较强的抗干扰能力，产品更容易芯片化，并可以获得物体的速度信息。但用于FMCW的调制器、激光器尚不成熟，集成化的硅光工艺也尚未达到量产程度，当前难以大规模量产使用。 扫描方式：MEMS和转镜性能优异，相对易过车规，成为目前主流 光束扫描方式繁多，当前转镜和MEMS将成为量产铺开的首选方式，远期纯固态的OPA、Flash有望成为激光雷达终局。机械式降本空间有限，转动结构难以满足车规要求，前装量产上车存在困难。转镜式类似于微型化的机械扫描，性能优异，相对容易过车规，但仍存在机械活动部件且降本空间有限。MEMS方案具有多种部署方式，整体而言性能可满足要求，相对容易过车规，但MEMS镜的稳定性有待提升。Flash方案纯固态、价格低，但目前受限探测距离多用于补盲。OPA方案具有纯固态、扫描频率/精度高、降本潜力大等优势，但与FMCW相类似，一方面，器件的设计如芯片的光耦合损耗、旁瓣干扰等存在难点，另一方面硅光工艺尚不成熟，因此该种方案落地仍需时日有望成为激光雷达终局。 收发模块：EEL激光器和 905nm 波长为主 激光器/接收器/激光波长目前以EEL/APD/ 905nm 为主 ， 远期VCSEL/SPAD/ 1550nm 潜力大。激光器领域， 905nm 波段下EEL激光器功率密度高，结构简单是目前的主流。VCSEL光束质量好、温漂系数低、低成本且易于集成，但功率密度不足应用场景有限，未来功率密度有望逐步提升进而替代EEL。 1550nm 波段技术限制下目前仍以光纤激光器为主。接收端，阵列化的SPAD有望凭借高灵敏度、低成本逐步替代当前主流的APD。波长方面， 905nm 简单易用，是目前主流激光波长，但因人眼安全要求下功率存在上限，测远能力不足。 而 1550nm 波段则可加大功率提升探测距离，且该波段环境光较弱，干扰较小，同时且更易于在硅光芯片中集成，有望在未来扩大份额。 风险提示：行业需求不及预期，技术路线发生重大变化。 1、技术路线百花齐放，排列组合优中选优 激光雷达存在诸多架构形态，各种技术路线排列组合形成化学反应，产业高速发展，产品百花齐放。当前自动驾驶趋势明确，激光雷达凭借自身测距远、分辨率高、受环境干扰小等优势，已经成为摄像头、毫米波雷达等探测方式的重要补充，是诸多主机厂迈向自动驾驶的必须品，产品从概念快速跨越至量产。作为汽车电子行业的新生事物，无论技术路线，行业玩家均处于早期状态，产业孕育着众多机会和无限可能。 激光雷达通过发出激光并接收反射信号来实现对前方物体的探测，在测距方式、激光波长、收发元器件、光束扫描等每个部分均存在多重技术方案，通过不同的技术方案的组合，衍生出诸多产品形态，产业百花齐放，百家争鸣。我们希望通过对技术方案的研究，研判产业发展趋势，给未来的投资提供帮助。 图1：激光雷达技术方案繁多，孕育出多种产品形态 1.1、测距原理：TOF主流，FMCW潜力大 测距方式通常分为两类，TOF（Timeofflight，飞行时间测距法）采用直接测量，FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波技术）通过相干测量。 激光雷达测距方式可分为TOF和FMCW两类，TOF通过直接测量发射激光与回波信号的时间差，结合光在空气中的传播速度得到目标物体的距离信息。FMCW首先对激光光源进行调制（调频/调幅/调相），将激光器发出的激光分为两束，一束作为本振光，另一束照射到物体上返回后与本振光混频干涉后形成一束新的激光信号，通过对该信号的测量和一系列的计算可反推出频率差进而实现测距，同时基于光的波长变化（多普勒效应）可以测算出物体的径向速度。 图2：TOF方案直接测量飞行时间测距 图3：FMCW采用调频连续波实现距离探测 Phase-Noise-Limited Performance》 Phase-Noise-Limited Performance》 TOF简单可靠，技术成熟易于实现，FMCW性能优前景好但短期技术存在瓶颈难以量产上车。TOF测距原理简单，可靠耐用，免去分析光波频率差异的环节，响应速度快，在工业、消费电子、通信、军工等领域早已广泛应用。尤其在消费电子领域，华为、LG、Vivo、三星以及苹果均在产品中广泛应用TOF传感器以实现距离信息的探测，目前，TOF技术和产业仍然不断演进，在激光雷达领域，TOF仍然是主流的测距方案。FMCW测距性能优异，曾被美国宇航局用于帮助飞行器在月球的黑暗面自动着陆，这种方案优势明显：（1）信噪比高，测量精度和距离远超TOF。该方案中本振光只会与返回的探测信号产生干涉，相当于只接收该频率的回波信息，几乎不会受到外界其他频率光线干扰，信噪比极高，甚至在直接面向阳光时仍能保持良好的探测效果；（2）抗干扰能力强。FMCW方式下每个激光雷达有自己的编码，即使未来激光雷达数量激增，也不会出现互相之间信号串扰问题；ToF激光雷达目前主要依靠脉冲编码来解决干扰问题，需要在一定时间内对脉冲进行采样，一定程度上会影响探测速度同时增加算法负担；（3）发射功率进一步降低，节能并减小对人眼的伤害。根据激光雷雷达公司SiLC数据，FMCW激光雷达发射平均功率可以比脉冲TOF激光雷达低1000倍以上；（4）更容易芯片化。FMCW的低功率运行也可以更容易做到芯片化，将硅基光电子技术和FMCW结合可大幅降低生产调试和装配难度，提升系统的性能、一致性、可靠性并降低成本；（5）FMCW可呈现速度信息。 助力自动驾驶算法实现更好的决策。整体而言，FMCW技术其实在毫米波雷达、光通信领域应用广泛，但激光雷达场景下对性能提出了更高要求。FMCW的问题显著：技术瓶颈限制上车。在激光器、调制器、接收器等的材料、设计、工艺上，以及硅光芯片的设计和制备上都需要进一步研究和突破。具体而言，（1）发射端激光器和调制器研发难度高，可线性调频的窄线宽（线宽可理解为激光色彩的纯度）激光是实现FMCW激光雷达相干检测的基础，调频过程中要求激光具有良好的线性度以及较低的功率起伏，这对激光器和调制器提出了极高要求。据洛微科技描述，FMCW激光雷达发出的激光线宽通常在百万分之一纳米级别，而发出激光的功率也应达到一定的标准以保证探测效果。此外芯片化的调制器、激光器涉及硅光子工艺，目前尚不成熟，而采用分立器件集成又存在成本、性能等诸多问题的困扰。（2）接收端亦需要进行工艺的优化和改良。整体而言，技术瓶颈是限制FMCW快速推广的主要原因。 表1：FMCW相比TOF性能优秀但技术成熟度低 图4：TOF在消费电子领域早已广泛应用 图5：FMCW所需激光功率远低于TOF模式 图6：激光雷达公司Avea已经将光接收、发射、光学元器件集成到单颗硅光FMCW芯片上 图7：FMCW直面阳光仍然有较好的探测效果 图8：FMCW激光雷达能提供速度信息 产业持续探索，上车曙光初现，技术和产品进展值得关注。产业对TOF和FMCW技术路线仍然不断探索，TOF领域在发射、接收端的产品性能不断精进以提升探测效果。FMCW领域尽管困难重重，仍然不断有产业公司以及投资人前赴后继投入FMCW技术路线。龙头公司如英特尔、Aurora、通用Cruise、光学巨头蔡司等在2017年甚至更早就开始布局该领域，并持续加码。而纵观市场上的玩家，选择该路线的公司创始人通常具有很强的技术背景，多数来自巨头科技公司、通信巨头或学术界转型，凸显行业较高的技术门槛。目前，Aeva已经能够将激光发射/接收/光学元器件等整合到硅光芯片模组中，形成FMCW激光雷达引擎，2022年2月公司推出全球首个4D激光雷达Aeries II，具有相机级分辨率、超远距离、高可靠性、4D定位、高集成性的优势，量产级别产品预计在2023年年末实现。除Aeva外，海外公司如Mobileye、Aurora、通用、AnalogPhotonics、Voyant Photonics、Baraja、Scantinel Photonics、SiLC Technologies等亦摩拳擦掌，国内主要有洛微科技、光勺科技、擎感光子等也在积极布局。产业进展值得被紧密关注，如果FMCW具备可行的量产条件，有望呈现出较好的发展势头。 表2：FMCW公司繁多，创始人具备较强技术背景 1.2、扫描方式：技术路线繁多，产业百花齐放，远期有望逐步收敛 产业百花齐放，远期有望逐步收敛。光束扫描方式按照转动部件的多少，分为机械式、半固态和纯固态，具体来看目前已经大致形成机械式、半固态的转镜、MEMS、固态的OPA、Flash五大类。此外还有一些其他的小众方式如光谱扫描、微动技术等亦在持续演进。在车规级、性能更优、体积更小、成本更低的目标下，机械式基本退出乘用车前装市场，其余技术路线终局尚难确定，未来随着供应链逐渐搭建和完善以及产品出货量的提升，生产成本将逐步降低，技术路线也将逐步收敛。 表3：光束扫描方式百家争鸣各有优势 1.2.1、机械式：性能优异，但难以满足车规要求 机械式激光雷达性能优秀，但价格、生产效率、过车规上存在困难，目前基本退出前装量产市场。通过电机带动光机结构整体旋转进而实现对空间水平360°视场范围的扫描，测距能力在水平范围内保持一致。该方式是传统激光雷达主要采用的技术路线，在Robotaxi、低速AGV小车上被广泛应用。机械式扫描的优势在于：（1）点云的质量较高，便于算法处理；（2）信噪比高，可实现360远距离探测；（3）供应链和技术成熟。但机械式通过叠加激光发射器和接收器来实现多线扫描，需要将发射和接收模块进行精密光学对准装配，在主流雷达已经提升至128线甚至256线的情况下，成本高，生产效率低，据九章智驾的采访，行业鼻祖Velodyne64线产品售价高达8万美元，交货周期超过2个月，一个工程师花费一周的时间仅能组装两台。 此外快速旋转的机械部件寿命在数千小时，难以满足车规级要求，因此基本被排除在乘用车前装量产市场之外。行业中Velodyne、禾赛科技、法雷奥等老牌激光雷达厂商的初期产品均采用此方式，但在面向前装量产市场时纷纷转向其他技术路线。 图9：机械式激光雷达点云质量高，可实现360度覆盖 图10：机械式激光雷达需要搭载于车顶高速旋转 1.2.2、转镜式：性能尚可，已经率先量产上车 转镜方案是目前已经实现前装量产上车的技术方案，在性能和稳定性上具备优势。 相比机械式的整体旋转，转镜方式使收发模组固定，只转动反射镜以及棱镜进而实现光束的扫描。根据激光光斑形状的不同，转镜模式也可分为一维转镜和二维转镜，如果采用点光斑则需要进行二维扫描，通常通过两块转镜实现，厂商如Luminar、图达通等采用该路线。而线光斑可通过一维扫描实现探测，搭配一块转镜即可，转动模块进一步精简，目前华为、禾赛科技、法雷奥等公司采用该种技术路线。转镜方案的优势在于结构更紧凑，稳定性高，功耗低，安装难度相比机械式显著减小。早在2017年Ibeo和法雷奥开发的基于转镜架构的4线激光雷达Scala1即实现量产，成为首个