報告出品/作者：華創(chuàng)證券、耿琛、岳陽

以下為報告原文節(jié)選

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一、激光雷達：產(chǎn)品成熟度持續(xù)提升，車載領域具備良好前景

激光雷達(LiDAR，Laser Detecting and Ranging)是一種通過脈沖激光照射目標并用傳感器測量反射脈沖返回時間來測量目標距離的測量工具。其工作原理是向目標發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發(fā)射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，從而對周圍環(huán)境進行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等組成。其核心優(yōu)勢在于利用激光的高頻特性進行大量、高速的位置及速度信息測量，形成準確清晰的物體3D建。

激光雷達21世紀初引入汽車領域，隨ADAS滲透率提升迎來快速發(fā)展。激光雷達最先用于地圖測繪領域，高精度要求使得激光雷達成本居高不下。Velodyne將激光雷達應用到DARPA無人駕駛汽車挑戰(zhàn)賽，首次將激光雷達帶入了自動駕駛領域。其后隨著ADAS等下游應用的持續(xù)發(fā)展，激光雷達領域企業(yè)不斷增多，隨著研發(fā)的持續(xù)進行，激光雷達的產(chǎn)品性能穩(wěn)步提升，成本大幅下降，行業(yè)也迎來了長足的發(fā)展。

激光雷達產(chǎn)品可以從顯性參數(shù)、實測性能表現(xiàn)及隱性指標等方面進行評估和比較。顯性參數(shù)主要指列示在產(chǎn)品參數(shù)表中的信息，主要包含測遠能力、點頻、角分辨率、視場角、精準度、功耗和集成度等。實測性能表現(xiàn)則主要指在實際使用激光雷達的過程中所測得的產(chǎn)品性能，其決定了無人駕駛汽車和服務型機器人對周圍環(huán)境的有效感知距離。相比于顯性參數(shù)，用戶會更加關注實測性能，但激光雷達作為近年來才在市場獲得較高關注度的新興產(chǎn)品，能夠參考的公開測試數(shù)據(jù)有限。隱性指標包含激光雷達產(chǎn)品的可靠性、安全性、使用壽命、成本控制、可量產(chǎn)性等，這些指標更加難以量化，也缺乏公開信息。

（一）激光雷達技術路線多樣，當前仍處于多技術路線并行階段

激光雷達的技術路線有四個主要的維度：測距原理、光源、探測器、光束操縱。激光雷達主要包括激光發(fā)射、掃描系統(tǒng)、激光接收和信息處理四大系統(tǒng)，四個系統(tǒng)相輔相成。根據(jù)這四個系統(tǒng)的不同特征，可以從四個不同維度來闡述激光雷達技術路線。其中光源和探測器即激光雷達的發(fā)射端與接收端，光束操縱即激光雷達的掃描方式，測距則為信息處理提供距離信息。根據(jù)四個主要的維度可以將激光雷達進行分類，每個不同分類方式又可進一步細分為不同的技術路線，不同路線之間存在較大差異。

根據(jù)測距方法分類，激光雷達可分為4種類型。激光雷達根據(jù)測距原理主要有四類：飛行時間法（ToF，Time of Flight）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW，F(xiàn)requency Modulated Continuous Wave）、三角測距法和相位法。最主要的兩種測量方法是ToF和FMCW。ToF測量原理是通過記錄短脈沖發(fā)射到接收到反射光之間的時間來測量距離，并在測量過程中通過反射光的角度來測量物體的位置。FMCW的測量原理是將發(fā)射激光的光頻進行線性調(diào)制，使回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差來間接獲得飛行時間反推目標物距離，優(yōu)點是抗干擾強、可直接測量速度。

ToF測距方法當前為主流，F(xiàn)MCW具備良好前景。激光雷達測距方法中ToF與FMCW能夠實現(xiàn)室外陽光下較遠的測程（100~250m），是車載激光雷達的優(yōu)選方案。ToF是目前車載中長距激光雷達市場的主流方案，有非常高的激光發(fā)射頻率，具備高精度探測優(yōu)勢，但ToF激光雷達最大激光功率受到限制，探測距離存在瓶頸，在白天會受到陽光干擾，在接收信號過程中產(chǎn)生噪音。而FMCW激光雷達除了成本高外具有可直接測量速度信息以及抗干擾、遠程性高的優(yōu)勢，未來隨著FMCW激光雷達整機和上游產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，其占比有望獲得提升，成為和ToF并存的主要測距方式。

激光雷達里的探測器即光電探測器可分為PIN PD、APD、SPAD、SiPM 四類，APD為當前主流。

PIN PD（PIN光電二極管）適用于FMCW 測距激光雷達，成本低；

APD（Avalanche Photo Diode），即雪崩式光電二極管，較為成熟的APD被廣泛采用在ToF 類激光雷達上，是目前使用最為廣泛的光電探測器件；

SPAD（單光子雪崩二極管）具有低激光功率下遠距離的探測能力，但缺點是過于靈敏的接收性能會帶來通道串擾大、寄生脈沖等問題，另外其電路設計等工藝難題也帶來了較高的制造成本；

SiPM（硅光電倍增管）是多個SPAD的陣列形式，可通過多個SPAD獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用，更容易集成CMOS技術。

EEL制作工藝復雜，VCSEL未來有望迎來快速發(fā)展。激光器光源方面，從發(fā)射維度看可以分為兩大類：邊發(fā)射（EEL）和垂直腔面發(fā)射（VCSEL）。據(jù)禾賽科技招股書，EEL作為探測光源具有高發(fā)光功率密度的優(yōu)勢，但因為其發(fā)光面位于半導體晶圓的側面，使用過程中需要進行切割、翻轉、鍍膜、再切割的復雜工藝步驟，而且每顆激光器極大地依賴產(chǎn)線工人的手工裝調(diào)技術，生產(chǎn)成本高且一致性難以保障。而VCSEL因為發(fā)光面與半導體晶圓平行，其所形成的激光器陣列易于與平面化的電路芯片鍵合，無需再進行每個激光器的單獨裝調(diào)，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進行整合，能有效提升光束質(zhì)量。近年來國內(nèi)外多家VCSEL激光器公司紛紛開發(fā)了多結VCSEL激光器，使得VCSEL光功率密度得到有效提升，VCSEL得以被運用在長距激光雷達領域。從生產(chǎn)成本和產(chǎn)品性能可靠性看，VCSEL未來將有望逐漸取代EEL。

按激光波長將激光器分類，905nm和1550nm波長激光器互補共存。激光最關鍵指標在于波長，波長主要分為兩個主流的發(fā)射波段，分別為1000nm以內(nèi)以及1000到2000nm之間，其中1000nm以內(nèi)區(qū)間典型值是905nm，1000到2000nm之間典型值是1550nm。

905nm屬于近紅外激光，容易被人體視網(wǎng)膜吸收并造成視網(wǎng)膜損傷，因此905nm方案只能以低功率運行，安全探測距離不超過200m，但其成本相對較低。

1550nm遠離人眼可見光波長，大部分光在到達視網(wǎng)膜之前就會被眼球的透明部分吸收，安全功率上限是905nm的40倍，安全探測距離可達到250米，甚至300米以上，但其需要使用光纖激光器，成本較905nm更高。

總體而言，905nm和1550nm的激光器在當前時間點來看各有優(yōu)缺點，兩個波段對于車載傳感器來說是一個互補共存的狀態(tài)。

機械式激光雷達仍占據(jù)行業(yè)主要地位，半固態(tài)/固態(tài)式具備良好前景。根據(jù)掃描方式分類，激光雷達主要分為機械式激光雷達、半固態(tài)式激光雷達以及固態(tài)式激光雷達。長期來看，固態(tài)激光雷達由于不存在可活動部件，在成本和穩(wěn)定性方面都有較大潛力，是技術上的最優(yōu)解。而目前三種技術路線中，機械式最為常用，已經(jīng)廣泛應用于Robotaxi等領域；混合式激光雷達是機械式和純固態(tài)式的折中方案（較機械式只掃描前方一定角度內(nèi)的范圍；較純固態(tài)式仍有一些較小的活動部件），是目前階段乘用車量產(chǎn)裝車的主流產(chǎn)。

機械式雷達發(fā)展較為成熟，但因成本和部件冗雜難以實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)。機械式激光雷達的技術方案主要是高線數(shù)機械式方案。通過電機帶動光機結構整體旋轉的機械式激光雷達是激光雷達經(jīng)典的技術架構，其技術發(fā)展的創(chuàng)新點體現(xiàn)在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測距范圍的拓展、空間角度分辨率的提高、系統(tǒng)集成度與可靠性的提升等。相比于半固態(tài)式和固態(tài)式激光雷達，機械旋轉式激光雷達的優(yōu)勢在于可以對周圍環(huán)境進行360°的水平視場掃描，在視場范圍內(nèi)測距能力更強。但旋轉部件體積和重量龐大，且高頻轉動和復雜機械結構讓其內(nèi)部的旋轉部件容易損壞，使用壽命相對較短，難以滿足車規(guī)的嚴苛要求。此外它靠增加收發(fā)模塊的數(shù)量來實現(xiàn)高線束，使得成本較高，亦限制了其大規(guī)模使用。

半固態(tài)方案主要包括微振鏡（MEMS）方案、轉鏡方案。半固態(tài)方案的特點是收發(fā)單元與掃描部件解耦，收發(fā)單元（如激光器、探測器）不再進行機械運動，由掃描部件的活動來實現(xiàn)部分視場角（如前向）的探測，體積相較于機械旋轉式雷達更緊湊。

轉鏡方案成熟度相對較高，可靠性已得到車規(guī)驗證。轉鏡方案固定了收發(fā)模組，用360°高速旋轉的多面棱形反射鏡來反射光束，完成激光雷達視野范圍內(nèi)全視場角掃描。轉鏡的優(yōu)點在于棱鏡、電機和發(fā)射器有更好的耐熱性和耐用性，因此更容易過車規(guī)，當前Valeo的運用轉鏡方案的Scala1已經(jīng)通過車規(guī)認證。轉鏡被視為機械式向純固態(tài)進軍的必經(jīng)之路，是短期上車主流，且未來很長一段時間半固態(tài)和純固態(tài)都將并行。

MEMS雷達受限于振鏡偏轉范圍視場角較小，量產(chǎn)性強帶來低成本優(yōu)勢。MEMS振鏡是一種硅基半導體元器件，屬于固態(tài)電子元件，它在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其核心結構是尺寸很小的懸臂梁，通過懸臂梁的抖動來實現(xiàn)鏡片的偏轉。MEMS微振鏡擺脫了馬達等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減小了激光雷達的尺寸。由于其集成度較高，在工藝成熟后預期會在成本和可靠性方面具備較大的優(yōu)勢。MEMS方案的技術創(chuàng)新體現(xiàn)在開發(fā)口徑更大、頻率更高、可靠性優(yōu)于振鏡，以適用于激光雷達的技術方案。但現(xiàn)在市面上MEMS偏轉角度只有10-30度，為了解決視場角較小問題，往往需要多個首發(fā)模組拼接而成。

固態(tài)式方案不含機械部件更易通過車規(guī)，但技術成熟度相對較低仍需進一步發(fā)展。固態(tài)式方案的特點是不再包含任何機械運動部件，適用于實現(xiàn)部分視場角（如前向）的探測，具體包括相控陣（Optical Phased Array, OPA）方案、Flash方案、電子掃描方案等。因為其不含機械掃描器件，內(nèi)部結構相較于其他架構最為緊湊，在體積方面具備優(yōu)勢。

OPA尚處于起步階段，制造難度和成本較高。光學相控陣技術(OPA)通過施加電壓調(diào)節(jié)每個相控單元的相位關系，利用相干原理實現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉，從而完成系統(tǒng)對空間一定范圍的掃描測量。在OPA系統(tǒng)中，光學相位調(diào)制器用于控制通過透鏡的光束。OPA具備精度高、掃描快、體積小等優(yōu)勢，集成度高且量產(chǎn)標準化程度高，具備較強的技術優(yōu)勢，但由于目前OPA產(chǎn)業(yè)鏈尚處于起步階段，且制造工藝復雜，量產(chǎn)性方面仍存在問題，另外由于其結構較為復雜，還存在控制復雜度高、功耗較高等問題。

Flash激光雷達能快速記錄場景，但探測距離短板導致其應用受限。Flash型激光雷達由于不存在掃描系統(tǒng)、機械運動部件被歸類為固態(tài)激光雷達。Flash型激光雷達可以通過短時間內(nèi)向各個方向發(fā)射大覆蓋面陣激光來快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標或激光雷達移動帶來的各種麻煩。它運行起來比較像攝像頭，激光束會直接向各個方向漫射，只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。其缺點在于一旦傳播距離超過幾十米，返回的光子就大大減少，使得無法進行可靠的探測，同時也增加了對接收端和功率的高度要求，提高了成本。

（二）激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈分工明確，車載下游應用快速發(fā)展占比持續(xù)提升

激光雷達集成銜接產(chǎn)業(yè)鏈上下游，具備較強產(chǎn)業(yè)附加價值。激光雷達主要包括激光發(fā)射、掃描系統(tǒng)、激光接收和信息處理四大系統(tǒng)，四個系統(tǒng)需要的不同電子零部件和光學系統(tǒng)共同構成了產(chǎn)業(yè)鏈的上游。具體而言，激光雷達行業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括激光器、探測器、掃描鏡、FPGA芯片、模擬芯片，以及光學部件生產(chǎn)和加工商，是激光產(chǎn)業(yè)的基石，準入門檻較高；產(chǎn)業(yè)鏈中游利用上游激光芯片及光電器件、模組、光學元件等作為泵浦源進行各類激光雷達的制造與銷售；產(chǎn)業(yè)鏈下游主要為各類激光雷達的應用領域，包括無人駕駛汽車、高級輔助駕駛、服務機器人、測繪、高精度地圖等。激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈公司分工明確，中游集成企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中起到了承上啟下的作用，具備較強的產(chǎn)業(yè)地位。

產(chǎn)業(yè)鏈上游由國外廠商主導，下游國內(nèi)外廠商差距不斷縮小。激光雷達上游的核心元器件為激光器和探測器，國外供應商在激光器和探測器行業(yè)耕耘較久，在產(chǎn)品方面具備競爭優(yōu)勢。國內(nèi)供應商近些年發(fā)展迅速，已經(jīng)有通過車規(guī)認證的國產(chǎn)激光器和探測器上市。激光雷達下游產(chǎn)業(yè)鏈按照應用領域主要分為無人駕駛、高級輔助駕駛、服務機器人和車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)。國外無人駕駛技術研究起步較早，相比國內(nèi)仍具有一定的領先優(yōu)勢，但國內(nèi)無人駕駛技術研究發(fā)展迅速，不斷有應用試點和項目落地，與國外公司的差距在不斷縮?。坏靡嬗趪鴥?nèi)快遞和即時配送行業(yè)的高度成熟，服務機器人領域國內(nèi)技術發(fā)展水平與國外相當，從機器人種類的豐富度和落地場景的多樣性而言，國內(nèi)企業(yè)更具優(yōu)勢；車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)更是在“新基建”等國家政策的大力推動下發(fā)展較國外更加迅速。

激光雷達成本中激光收發(fā)模塊成本占比大，后續(xù)隨著量產(chǎn)推進的整體成本有望進一步下探。將機械式激光雷達各部件的成本進行拆分，根據(jù)汽車之心的數(shù)據(jù)，Velodyne的機械式激光雷達VLP-16的成本拆解后激光器、探測器、光學部件、電路板、電機外殼及結構件成本占比分別為40%、35%、10%、10%、5%。進一步以法雷奧Scala轉鏡激光雷達為例，其激光收發(fā)相關模塊激光板、機械鏡和機械激光部件合計成本占比可達46%。無論是機械式還是半固態(tài)式激光雷達，激光收發(fā)相關模塊成本占比均較高，這部分原因是因為當前激光雷達整體出貨量較小，固定成本相對較高，后續(xù)隨著激光雷達量產(chǎn)的推進，產(chǎn)品整體成本有望進一步下降。

當前測繪領域主導下游應用，汽車駕駛領域未來有望成為主力。激光雷達下游應用領域廣泛，主要涉及無人駕駛、高階輔助駕駛、服務機器人和智慧城市及測繪等行業(yè)。根據(jù)Yole Intelligence的《2022年汽車與工業(yè)領域激光雷達應用報告》數(shù)據(jù)，2021年激光雷達應用中地形測繪仍是最大的應用領域，占據(jù)60%的市場份額；緊隨其后的是工業(yè)領域，占據(jù)27%的份額；無人駕駛出租車、ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）、風能和國防等領域占據(jù)剩下的13%。但近年來，隨著全球各國對智能駕駛的政策支持，以及車載激光雷達行業(yè)的快速發(fā)展，無人駕駛和高級輔助駕駛中激光雷達的滲透率呈高速增長的態(tài)勢。Frost&Sullivan預測至2025年高級輔助駕駛、無人駕駛將成為下游應用主力，分別占激光雷達市場的34.64%和26.30%，車載激光雷達領域對整體市場的增長貢獻達到61%。

二、智能化與電動化雙輪驅動，激光雷達市場有望迎來廣闊增長空間

（一）智能化與電動化穩(wěn)步推進，ADAS市場迎來快速增長

ADAS（AdvancedDrivingAssistanceSystem，高級駕駛輔助系統(tǒng)）能夠利用安裝在車上的各式各樣的傳感器（毫米波雷達、激光雷達、單\雙目攝像頭以及衛(wèi)星導航）收集數(shù)據(jù)，并結合地圖數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)計算，從而預先為駕駛者判斷可能發(fā)生的危險，保證行車的安全性。ADAS技術大大降低了駕駛的復雜性，其功能包括車道監(jiān)測、緊急制動、穩(wěn)定性控制等。ADAS是無人駕駛的第一步，要想實現(xiàn)無人駕駛需要先普及ADAS。

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