激光雷达系统组成
▶ 王皓
近年来，汽车行业“新三化”(电动化、网联化、智能化)的发展，为激光雷达带来了广阔的市场空间，但其仍处于创新发展阶段。未来行业需要加速核心光电器件国产化替代，自研SoC加速量产上车;加快产业的垂直整合以推动供应链成本的降低和关键技术的升级。与此同时，激光雷达厂商也将逐步从感知硬件供应商向解决方案提供商转变。
一、汽车行业“新三化”发展，为激光雷达带来广阔市场空间
1.国家大力推动新能源汽车发展，汽车电子加速渗透
自2012年国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》以来，我国新能源汽车产业发展取得举世瞩目的成就，成为引领世界汽车产业转型的重要力量。此后世界各国纷纷出台相关措施办法推动电动化转型，挪威、荷兰、英国、法国、葡萄牙等国家设定燃油车禁售时间分别为2025、2030、2040、2040、2040年。2020年国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》，进一步明确了汽车电动化、网联化、智能化的“新三化”发展路径。在我国新能源汽车销量占比不断走高的趋势下，伴随着居民消费升级对汽车个性化、品牌化、智能化需求的增长，汽车电子的发展程度也越来越高。
2.自动驾驶级别不断跃升，激光雷达核心传感器地位凸显
《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》明确指出，到2025年实现高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用，到2035年高度自动驾驶汽车实现规模化应用。因此，自动驾驶是未来汽车“新三化”发展的重要领域，而当前我国市场上的量产车型仍多处于L2+级别自动驾驶，《智能网联汽车技术路线图2.0》提出，到2025年，L2/L3级智能网联汽车销量占当年汽车总销量的比例超过50%，可见未来市场增长空间广阔。感知技术是自动驾驶的核心技术之一，在自动驾驶的感知方案选择上目前行业分为两个阵营：一个是以特斯拉为代表的以视觉传感器为主的视觉派，以摄像头为主要传感器、毫米波雷达等为辅助，并逐步向纯视觉过渡，成本相对较低;另一个是以Waymo为代表的激光雷达派，目前形成了“激光雷达+毫米波雷达+影像监控+数据分析处理”的混合路线，成本相对高昂。对我国造车新势力和自主品牌来说，激光雷达已成为其进阶自动驾驶的必选项，2021年从蔚来ET7、小鹏P5到极狐阿尔法S、威马M7、智己L7，堪称激光雷达路线量产落地元年。
二、激光雷达仍处于创新发展阶段，技术路径逐步清晰
1.激光雷达系统结构复杂，关键技术选择呈现多样化
激光雷达是激光技术、电子技术与信号处理等技术相结合的产物，主要由激光发射、激光接收、信息处理、扫描系统组成。
激光发射系统：激励源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。
激光接收系统：经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号。
信息处理系统：接收的信号经过放大处理和数模转换后，经过信息处理模块计算，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：以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，产生实时的平面图信息。
2、半固态是当前现实首选，车规级、低成本是关键
自动驾驶行业带动了车载激光雷达的兴起和发展。在行业发展初期以robotaxi、robobus、无人配送车等场景应用为主，核心是探索自动驾驶系统及解决方案，同时业内并没有成熟的激光雷达方案，因此Waymo、Cruise以及百度Apollo推动了机械旋转式激光雷达的发展，Velodyne、禾赛科技、Ouster、速腾聚创等公司也成为前期的主要供应商，产品包括16线、32线、64线等系列。机械旋转式激光雷达性能指标很强，但成本受收发模组数量约束，机械式结构稳定性相对较差，应用需要进行大量重复的校准工作，在校正不能实现自动化的情况下限制了产量和成本潜力，也无法满足车规级和前装需求。
为降低生产成本、增加产品稳定性，并迎合未来广阔的汽车前装市场，Luminar、Innoviz、Aeva、Innovusion、华为、法雷奥、大疆、速腾聚创等企业积极布局半固态式激光雷达，主要方向为转镜式、棱镜式、MEMS微振镜激光雷达，其中转镜式、棱镜式已较为成熟。转镜式激光雷达是第一个过车规且批量供货的技术方案，代表厂商有法雷奥、Luminar、Innovusion。同时不论是一维转镜(一面扫描镜)还是二维转镜(一纵一横两面扫描镜)，都已实现比较高的等效线束。棱镜式激光雷达由大疆Livox发明，并在小鹏P5上进行了配套。MEMS微振镜激光雷达属于芯片化、无机械组件结构，在尺寸、成本、量产上有较大优势，但稳定性相对较差，探测距离和探测角度有限，业内多通过使用1550nm激光、发明多通道水平联合扫描技术等提升性能，目前处于准车规状态。纯固态激光雷达的接收模块和扫描模块都没有机械运动，主要依靠电子部件控制激光发射角度，技术最为先进，但短期内应用难度最大，目前主要有OPA(光学相控阵)和FLASH(闪光)两种方案。
三、行业降本路径逐步清晰，模式创新或成发展新趋势
1.核心光电器件国产化替代加速，自研SoC加速量产上车
激光雷达产业链可以分为上游光学和电子元器件、中游激光雷达集成、下游激光雷达应用场景。其中上游包括激光发射、激光接收、扫描系统、信息处理四大部分，是组成激光雷达系统的关键。目前激光雷达上游核心器件由日、韩、德、美等国外公司引领，如激光发射领域的欧司朗、Lumentum，激光接收领域的滨松、安森美，扫描系统领域的滨松、mirrorcle、Alluxa，信息处理领域的赛灵思、英特尔、德州仪器、瑞萨等。
在激光雷达成本组成方面，直接零部件成本占比约50-60%左右，同时有约20%的人工调试成本，其他为制造费用。在未来降低供应链成本、调试及制造成本的趋势下，核心器件的国产化、产品的高集成度和自动化生产成为激光雷达成本下降主要路径。在激光器、探测器方面，国内已经拥有炬光科技、长光华芯、纵慧芯光、睿熙科等激光器代表厂商，灵明光子、南京芯视界、芯辉科技等探测器代表厂商，在国内供应的定制化、低成本方面具有一定优势，未来国产替代化有望逐步加速。同时，为加快推动激光雷达的量产和生产的自动化水平，降低对国外FPGA芯片、模拟芯片的依赖，部分厂商已开始探索自研SoC，将探测器、电路、信息处理等多个模块集成到芯片上，进一步提高产品集成度并加速产品的量产上车。
2.垂直整合和软件赋能加速，模式创新将建立新壁垒
知名自动驾驶激光雷达初创公司Luminar在垂直整合方面动作频频，2017年收购非标准集成电路设计、工程测试公司Black Forest Engineering，2021年收购1550nm InGaAs光电探测器芯片公司OptoGration Inc，2022年又宣布将收购高性能光子组件制造商Freedom Photonics。通过上述3家的技术融合，Luminar将InGaAs激光雷达接收器与专用集成电路设计配合使用，以优化激光雷达产品性能并降低成本，更灵活高效地控制供应链成本。国内禾赛科技、一径科技等公司也在加大核心芯片方面的投入，或许未来行业将加快产业的垂直整合以推动供应链成本的降低和关键技术的升级。与此同时，激光雷达厂商也正逐步从感知硬件供应商向解决方案提供商转变，软件方案或将成为产品力提升的关键，并成为收入的重要来源。Velodyne预计到2025年激光雷达硬件以外的牌照、订阅和服务收入占营收近20%;Luminar将具备硬件+2种解决方案的多渠道盈利模式，软件相关营收预计到2025年将超40%;速腾聚创依托点云感知软件技术积累推出了AI感知软件RS-LiDAR-Perception，在稠密交通流、多驾驶场景、远距离感知方面有良好适用性，未来也将可能成为其主要赢利点。
(作者单位：北大科技园创新研究院)
(责任编辑：韩梦晨)
