百年汽车产业正经历前所未有的最深刻的变革，融汇了新能源、新一代信息通信、云计算、大数据、人工智能等多种变革性技术，汽车早已跳出传统交通工具定义，成为大型移动智能终端、储能单元、数字空间。作为技术集大成者的载体，新能源智能汽车已成为科技界、产业界、资本界的必争之地。
作为产业变革的重要参与者，汽车产业投资机构如何看待新趋势、新机遇、新挑战？以怎样的标准筛选“高壁垒”、“卡脖子”技术，从而助推中国新能源智能汽车在全球范围内形成先发优势？
近期，北汽产投策划召开了「北汽产投研究研讨会」，召集集团及兄弟企业各条线技术专家、工程师等与产投投研团队进行线上研讨交流，从投资、研发等不同角度进行交流碰撞，以居家为契机，加速充电、蓄力待发。本期内容既为研会第二期激光雷达产业研究概要，本周我们还将围绕动力电池、汽车后市场两大主题开展研讨，欢迎集团及兄弟企业专家、同仁一同交流、研讨。
如果说芯片是智能汽车的大脑，那么以激光雷达为代表的传感器就相当于智能汽车的眼睛，在自动驾驶特别是高级别自动驾驶中发挥着相当重要的作用。作为一项技术密集型的复杂传感器硬件集成技术，激光雷达的性能优势弥补了目前主要汽车传感器的性能短板，但是高昂的成本也限制了它在早期自动驾驶领域的大规模应用。近年来，以速腾聚创、禾赛科技为代表的国产激光雷达的崛起和技术升级迭代，使车载激光雷达的成本进入下降通道，2022年也成为激光雷达批量上车的元年，本期我们将激光雷达拆解为各个模块进行技术、行业、历史、发展角度的研究，力争将激光雷达的技术现状、未来趋势剖析明辨。
1.激光雷达技术原理及结构
1.激光雷达技术原理
（2）FMCW为连续调频激光，出射激光一半光留在本地谐振腔，与另一半出射光回光做干涉，通过比较两个光之间的频率/相位差计算距离和速度。
1.2激光雷达典型结构
光学雷达的典型结构分为四部分：光源，扫描器件（光学器件），探测器/接收器，数据处理（电路+算法）。
固态与非固态在激光雷达区别在扫描器件：转镜，棱镜为非固态（机械扫描）；半固态，MEMS（直径2-10mm振镜），振膜（Cepton方案）；OPA，FLASH为全固态扫描。
2.TOF雷达方案选择及应用
2.1光源：激光器方案选择
目前市面上常见的激光器有三种：EEL边发光激光器，VCSEL垂直发射激光器，光纤激光器。光纤激光器体积较大，采用晶体/非晶态玻璃和激光泵浦源，与激光切割机原理相同。优点是功率高，调制速度快。但与激光雷达体积减小的趋势相违背。EEl和VCSEL都属于半导体激光器，EEL由于功率适中成为激光主雷达的主流。VCSEL出光质量高，调制方便，但功率低，被看好未来在角雷达的应用。
波长与发光材料物理特性有关：905nm激光器多用砷化镓GaAs作为发光材料，1550nm多用磷化铟InP作为发光材料。
（1）Fiber980/1480nm（光纤激光器）在光通信中大量应用，高功率Fiber激光器可达到10km的传输距离。Fiber激光器特点为高功率，相对价格低。但Fiber激光器有体积较大，激光束腰直径大，温漂高等缺点。
（2）EEL激光器常用905/1550nm波长，905激光质量略胜于1550，905用的较多也因为探测器/接收器较为成熟。
（3）VCSEL激光器常用905nm/940nm，主要优点为窄带宽，准直光，温漂小。缺点功率密度为EEL的1/60。
2.1.1光源：重点说一下VCSEL激光器
VCSEL激光器发展史：VCSEL起源于1979年，最初应用于短距数据通信（光芯片）。经历了两次高速发展，第一次是1990s-2001光通信泡沫期，2008-2009优胜劣汰；第二次是2017年之后iphone前置结构光，后置VR都采用了VCSEL，消费电子带动了VCSEL的第三次投资热潮。
光通信要求激光器调制速度快，功率在3-40mw；激光雷达要求功率在5-40w，对功率密度要求更高。VCSEL的天然温漂小的优势，快速调制能力ppm级别，准直光，光谱窄等优点，被看未来在FLASH雷达中的应用。
车载VCSEL激光器研发方向。车载激光雷达需要高功率，多PN节的VCSEL产品是解决方案，目前5JVCSEL可以做到1500w/mm2。VCSEL的特点发光区域非常薄，为了让更多的电流转化成光子输出，采用的方式是有源区堆叠厚度，提高PCE。通过驱动小电流上升到非常高的峰值功率。
VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。VCSEL与其它半导体激光发光原理一样，首先要实现能量激发，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，当电子由导带返回价带时，将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射（谐振腔长200nm，来回几千次后，总路径可长达4mm），不停地通过发光区吸收光能，使受激光多次能量反馈而形成激光。
2.2扫描器件：机械扫描方式最稳定
由于激光指向性较强，为了达到面测量结果，需要使激光器或光路进行高频率旋转或振动，来达到机械扫描效果。机械扫描机构有：（1）激光器旋转；（2）棱镜旋转；（3）微机械震动MEMS；（4）Cepton的MMT方案。
扫描方式分为一维扫描、二维扫描，分区覆盖和全区覆盖。EEL由于边缘出光，易制成线阵光源，适用于一维扫描，全区覆盖；VCSEL功率小，易于制成面阵，适用于二维扫描和分区覆盖。
2.2.1MEMS半固态扫描渗透率在持续增加
MEMS传感器即微机电系统（MicroelectroMechanicalSystems）。MEMS激光雷达，通过激光束打在MEMS振镜，以静电或磁驱动MEMS振镜转动，来实现扫描。大振镜10mm直径，市面上也有小振镜1-3mm直径的方案。由于MEMS振镜是Si基材料理论断裂强度为5-6GPa，实际测量中，由于材料缺陷等问题2GPa存在断裂风险。根据下图测试结果，直径1.4mm的振镜，有限元模拟最大应力在863MPa。如果直径在10mm，扭梁应力还要增加，预计比较接近实际断裂强度。MEMS难点也在于小振镜工艺难度高，大振镜应力接近断裂强度，跌落试验过车规较难。
2.2.2MMT扫描成本优势明显
MMT是多媒体终端(MultiMediaTerminal)。激光雷达厂商Cepton采用MMT技术，利用多媒体音响振膜弯曲来实现扫描功能。音响振膜在线圈通电后，达到可使用状态，通过输入音频信号驱动振膜在一个频率实现高频振动。激光打到振膜上，实现高频扫描。
使用MMT进行扫描的有点：1、技术和产业链相对成熟，产品性价比高。预计上车整机在800美元，120米探测距离；2、易于过车规，音响属于成熟产品，在车上大量应用。激光雷达采用同类机械结构，易于过车规；3、批量化生产难度低。
2.2扫描器件：全固态扫描的三种方法
（1）OPA相控阵，上世纪50-60年代用于军事雷达。用光路做天线阵列难度高，天线直径一个波长，两个天线间距0.5波长，需要大于1000个天线组成阵列。旁瓣串扰，大角度扫描，插损等都是需要解决的难题。
（2）Flash扫描。激光阵列，光强发散，角度固定。缺点为视场角小（FOV），测距近。优点为固态扫描，理想情况可以做到30-50m测距。
（3）波长扫描。使用宽谱波长激光器。色散原件（Dispersion）作用类似棱镜。色散原件可以用芯片实现，1nm波长转0.1度，25度需要至少200nm的波长调节，需要设备级激光器。光通信使用的激光器通常30-40nm波长可调。
2.3探测器-数据处理：单光子雪崩二极管最前沿
探测器需要灵敏度高、速度快、抗干扰，但三种性能往往互相制约。探测材料有Si基CMOS工艺，主要是900nm以下波长探测；也有灵敏度较高的InGaAs探测器，主要用于1550nm波长探测。传统探测器为PIN光电二极管，和APD（雪崩二极管）。新型探测器有SPAD/SiPM（单光子雪崩二极管），单光子灵敏度极高，早期用在强子对撞机和荧光检测仪。
2.3.1探测器-数据处理：探测器APD与SPAD的区别
目前905nm激光器探测APD（雪崩二极管）是主流方案。一方面由于APD传感器和ASIC读取芯片均采用分立器件，较易实现。同时APD在905nm探测的PDE可优化达到80%。
（1）SPAD（单光子雪崩二级管）与APD（雪崩二极管）相比较的优势，SPAD增益在106，而APD增益在10-100倍。（2）SPAD采用CMOS工艺，集成化程度高。而APD传感器和ASIC读取芯片都是分立器件，集成化程度低。但SPAD由于灵敏度高，抗环境光较弱，PDE后端优化也较难。
2.3.2探测器-数据处理：探测器SiPM与SPAD的区别
如果把SiPM比喻成眼睛，那么SPAD就是视觉系统：眼睛+视网膜+数据处理。SiPM在2000年被滨松工业化生产，SPAD是2002年在SiPM基础上发展起来，为了采用CMOS标准工艺提高生产效率，降低成本，但效果并不理想。SPAD与SiPM原理类似，都使用了单光子雪崩二极管，两种器件增益都在106倍，由于对光子增益较大，会产生器件饱和和发热问题，sensor后端还需要接一个淬灭器件进行复位。
要点：
（1）SPAD采用有源淬灭，SiPM是无源淬灭。SiPM无源淬灭采用串联金属电阻复位，SPAD有源淬灭复位速度较快。
（2）两种器件主要区别在于SiPM采用定制化工艺，SiPMsensor需要配置专用ASIC芯片读取传感器数据。SiPM可以通过增大有效感光面积，提高PDE效率。
SPAD采用COMS工艺，受限Si器件的物理极限，以及高集成度带来的电路死区面积增加等问题，后端PDE优化较弱。
（3）从信号处理的角度来看，SiPM是将单光子雪崩二极管并联起来，输出一个信号，背景噪声在同一水平下，容易甄别真实的光子进入信号。而SPAD将信号处理后并联起来，所以每个器件都可以收到数据，优点是可以寻址，判别在哪个位置的器件收到的信号，也可以得到每个器件的真实信号。缺点是数据量大，不同器件背景噪声有差异。
探测器SiPM提高PDE（光电转换效率）的几种方法：
（1）提高有效探测面积。由于激光雷达窗口有限，在有限的面积上做更多的单光子雪崩二极管，可以提高光的接收效率。
SiPM由于sensor较为规整，可以通过提高sensor面积优化探测效率，950nm、900nm、850nmPDE物理极限分别为10%，20%，30%。目前SPAD也尝试升级COMS工艺，从FSI到BSI，从而提高背面sensor面积。
图：滨松S13360到S13720在红外905nmPDE的改进
2.3.3探测器SiPM与SPAD技术难点
SPAD与SiPM的技术难点主要有以下几点：
（1）光电子探测效率（PhotonDetectionEfficiency），由Si，Ge，InGaAs材料物理特性有关。
（3）光学串扰（Crosstalk）：光子在一个像素内发生雪崩时，串到其他像素引起的干扰。
（4）后脉冲（After-pulse）：在雪崩击穿过程中，大量的载流子在PN结附近形成，这些载流子会有一定的概率被能晶格中的缺陷所俘获，俘获的载流子释放并激发新的雪崩倍增过程，因此产生的脉冲叫后脉冲。
图：后脉冲及其改进方案
2.3.4单线固态激光雷达VCSEL+SPAD用于3-5米测距
意法半导体（ST）的单线VCSEL+SPAD雷达年出货量2亿颗，全球累计销售15亿颗。应用门锁，投影仪，手机，扫地机等。
2.3.5探测器SiPM与SPAD应用
SiPM最早应用于医疗设备中的CT，荧光标记等，主要是Si材质在蓝光和荧光波段400-500nm的PDE能达到20%以上。而开发消费级和汽车级应用，主要在红外905nm和1550nm波段，Si材质在900nm的PDE只有不到5%。滨松在2020年后通过工艺改造，将这一波段的PDE提到高9%。虽然Sony在2020年给iphone12做了一颗大面阵SPAD，但消费级产品对速度要求不高，Sony通过升级工艺，在2021年推出了车用SPAD面阵。
Sony给ipadpro和iphone12供应了一颗150*140的SPAD面阵芯片；Snoy公开的一款分辨率587*168用于车载激光雷达，据报道测距可以达到300米。Sony、Onsemi、hamamatsu三家可以提供车载激光雷达SPAD/SiPM芯片。
2.4本部分总结及展望
目前dTOF是主流方案，激光器采用EEL905nm，VCSEL随着技术成熟占比逐渐增加。扫描方式从机械向半固态，纯固态转变。探测器目前以APD为主，未来向SiPM/SPAD转变。
3.FMCW激光雷达技术原理及结构
上文已有阐述，激光雷达从测距原理看主要分TOF和FMCW。上文对TOF典型应用做了较为充分的分析，在此对FMCW进行对比分析。FMCW连续调频波激光雷达区别于TOF的脉冲方式，FMCW的一个重要特性是相干检测原理，激光通过分光器，有一半的光留在本地，放大10万倍，与回光进行干涉。这种检测优点是，有一半的本地光做基准，放大的是真实信号（而非干扰信号），会快速检测到真实的回光，抗干扰能力大大提高。同时与本地光进行对比，可以在像素级别得到速度信息。
图：本振光放大10万倍可以更高的甄别真实回光
3.1FMCW相较于TOF的优点
FMCW可以实现高集成度。FMCW可以用分立器件实现，也可以把发射和接收端集成为芯片。扫描方式也可采用转镜、棱镜和MEMS等方式扫描。但FMCW技术发展意义在于和OPA相控阵天线结合（难点），可以实现高集成度。同时可实现远距离探测。例Aeva的FMCW雷达，发射和接收芯片只有火柴盒大小，可探测500-600米距离。
因为FMCW常用1550nm光源，所以探测器以InGaAs的PIN光电探测器为主，由光电二极管、滤波器、放大器、驱动器、编解码器等组成。理论上FMCW可以把激光器、发射芯片、光路、镜头、接收芯片、处理芯片集成在一颗芯片上。目前在激光器集成方面，英特尔走的世界前列。
FMCW连续调频波雷达其他优点：
（1）利用多普勒效应可以直接计算得出目标的速度信息；
（2）窄线宽使得互相干扰概率极低：1550nm的窄线宽激光器为例，线宽频率100MHz，则换算为0.0008nm线宽。
（3）窄线宽可以通过增大功率，使带宽光强高于太阳光3倍以上，太阳直射免疫。
FMCW连续调频波雷达除了可以实现高集成度，探测距离远等优点。1550nm雨雪雾衰减比905nm要小，FMCW比ToF信噪比衰减小。
3.2FMCW激光雷达核心问题
（1）窄线宽激光器，调制线性调频波，难度非常高。干涉对光的要求苛刻；
（2）采用多通道并行处理，数据量大，高速ADC转换的难度提高。加上本地光做干涉，数据处理难度再提高；
（3）天线数量多，制造难度高；
（4）大量天线带来的旁瓣干扰问题；
（5）对大气环境做模拟，对光吸收、折射、反射等做测算。
3.3FMCW激光雷达展望
我们预计FMCW+OPA产品成熟或在2025年之后，2023年之后会有大量样机上市。虽然FMCW激光雷达的研发和制造难度非常高，但是我们仍然看好FMCW+OPA的作为激光雷达的终极解决方案。
4.激光雷达发展趋势
4.1在怀疑中成长：激光雷达在汽车市场发展趋势
激光雷达作为汽车中最贵的传感器，目前普遍成本在1万元人民币以上，目前MEMS和MMT雷达可以做到大幅降低成本，但距离平民价格还有较大距离。特斯拉作为全球新能源汽车龙头，对车载激光雷达的谨慎态度，也让行业对激光雷达的应用保持一份清醒。
我们统计了中国汽车价格在30万以上的车型每年销量接近100万辆，价格在20-30万车型每年销量在320万辆左右。销售金额接近全市场的一半。假设按30万上车型配备激光雷达3颗，1颗正向雷达和2颗角雷达；20-30万车型配备1颗正向雷达。100%渗透率的市场规模310亿，我们预计2025年20万以上车型渗透率达到20%，市场规模接近62亿元。
援引以上公开信息，如上下图所示，目前激光雷达出货排名为Valeo28%，Robosense10%（速腾聚创），Luminar7%，Livox7%，Denso7%，Continental7%，Cepton7%。905nm将长期占据主流方案，1550nm市场份额将逐步增加。机械式将逐步降低市场份额，半固态和固态份额将逐步提升。
4.2不可逆转的芯片化、固态化进程
从激光器、扫描器件、探测器、数据处理四个结构来看，激光器未来发展趋势是芯片化，目前EEL/VCSEL激光器与CMOS工艺不兼容，英特尔致力于将激光器耦合在硅片上，难度最高。固态化主要指扫描器件，激光雷达厂商自发向固态扫描升级。高灵敏探测器SiPM/SPAD应用将使集成度提高，接收芯片或与发射芯片集成在一颗芯片上。
4.3激光器：EEL中短期优势仍在
EEL长期占据主流。VCSEL逐步成熟，形成高可靠性和可寻址两个方向。FMCW激光器仍在发展中。
VCSEL激光器温漂在0.07nm/K，而EEL激光器温漂在0.28nm/K。受温度环境影响，VCSEL激光器线宽更低，精度更高。但amsOSRAM利用特有工艺技术，收窄了EEL激光器的温漂曲线。
激光器可寻址也是未来发展趋势，目前1D寻址已经开始，未来将做到2D寻址。可以控制激光器阵列，驱动单点或区域发光，实现收发固态扫描。VCSEL如果面阵足够大，功率足够高，是可以做为良好的FLASH扫描方式的光源。同时控制分区发光，可以实现30-50米方向可控的发射和接收。
4.4新型探测器SIPM/SPAD逐步成熟
SPAD集成度高，大量应用于医学和药物检测，荧光检测等。2016年Toyota将SPAD首次应用于汽车。Sony将SPAD面阵应用于Iphone12和IPADpro，之后又用于车载激光雷达。ST发明接近传感器，全球出货量15亿颗，消费电子将应用普及化。2020年Sony提出3D堆叠方案。SPAD3D堆叠工艺复杂、技术难度非常高。国产厂商仍在追赶国际巨头的脚步。
4.5从安全性看，激光对人眼的危害
905nm激光近红外，接近可见光360nm-750nm频率，可穿透角膜和晶状体，直接到达视网膜。而1550nm激光为远红外，主要被角膜上的液体吸收。所以大功率905nm激光主要对视网膜产生损伤，而1550nm激光主要损伤角膜。
根据amsOSRAM的模拟计算，1D扫描中采用大于3mm直径的反射镜时，1550nm所允许的功率仅为905nm的2倍左右。
我们认为除波长以外，出光的方式TOF和FMCW影响峰值功率和总功率，也影响人眼安全的结果：
（1）TOF一次脉冲时长为2纳秒（10-9）。1秒钟如果连续发射，可以脉冲5亿次，但TOF只用了1万次。而FMCW则相当于用了5亿次。理论上的峰值功率FMCW比TOF低了4个数量级。插损等影响，实际峰值功率TOF约为FMCW百倍。
（2）TOF雷达系统总功率通常在40-50w，甚至百瓦以上。FMCW系统功率通常在10-20w。
总结：905nm主要用于TOF，1550nm广泛用于FMCW。1550nm+FMCW人眼安全性预计比905nm+TOF高一到两个数量级。
4.6车企如何应用激光雷达
商用车、乘用车、robotaxi对激光雷达放置的位置、扫描机构、探测距离、视场角以及成本都有不同的需求，所以选择适合自己的激光雷达供应商，比选择性能更加重要。
激光雷达具有定位功能、夜晚适用、3D建模能力；与摄像头和毫米波雷达相比，最突出的优势在于更远的探测距离。目前机械式和半机械式激光雷达普遍测距范围可以达到100-200米，Sony采用新一代接收传感器SPAD的雷达测距范围可以达到300米，Aeva的FMCW雷达2021年在北美测试达到500米测距。在商用车、自动驾驶等领域，激光雷达目前是最有潜力的远距离车载传感器。
对于自动驾驶如何使用激光雷达的数据，下游也没有统一定论。一方面是由于多传感器融合没有统一方法，而不同传感器的数据冗余和数据冲突，也是需要长期解决的问题。另一方面，目前自动驾驶算法采用了摄像头数据作为决策依据，而增加激光雷达以后，算法不能复用也导致激光雷达使用成本提升。所以下游厂商需要什么样的数据，对激光雷达的定义对雷达厂商极为重要。
从目前发展的阶段来看，激光雷达的测距远，毫米波雷达可穿透雨雪雾，摄像头的高像素和灰度信息，三种传感器的优势互补，仍将长期存在。
5.激光雷达投资机会
我们认为未来短距30-60m有可能发展为Flash+SPAD/SiPM，或MEMS+SPAD仍为主流，主要看两种方案性能和价格的竞争优势。100-200m仍以MEMS等半机械为主，逐步过渡到全固态扫描方式。500-1000m则以FMCW+OPA为主流产品。
各主机厂根据成本和性能的需求，选择适合自己的激光雷达方案，预计未来激光雷达投资机会泛化，行业格局以3-5家龙头为主，集中度不断提高。有特色的小规模雷达厂也将长期存在，与个别厂商长期绑定。