誰(shuí)將引領(lǐng)汽車激光雷達(dá)技術(shù)

幾乎是業(yè)界共識(shí)，激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)汽車高級(jí)智能輔助駕駛（ADAS）功能的重要硬件配置之一，沒(méi)有激光雷達(dá)就不會(huì)有真正的無(wú)人駕駛。

近年來(lái)，中國(guó)主機(jī)廠利用激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)掀起了汽車產(chǎn)業(yè)的變革。隨著中國(guó)主機(jī)廠率先實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的集成，Yole旗下的Yole Intelligence預(yù)計(jì)，到2028年全球汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的3.17億美元增長(zhǎng)至44.77億美元億美元。

PC（巡邏車，用于公安巡邏、步行街、高爾夫球場(chǎng)、旅游景點(diǎn)、房地產(chǎn)、園林小區(qū)、大型企業(yè)、公園、娛樂(lè)場(chǎng)所、體育場(chǎng)館、大專院校、醫(yī)院、療養(yǎng)院、車站、機(jī)場(chǎng)、碼頭等的交通工具）與LCV（輕型商用車）激光雷達(dá)市場(chǎng)已經(jīng)起飛，自2018年以來(lái)已獲得144個(gè)設(shè)計(jì)導(dǎo)入，其中114個(gè)計(jì)劃在2023年后很快落地。

(資料圖片僅供參考)

由于汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)還比較年輕，市場(chǎng)份額變化迅速，生態(tài)系統(tǒng)面臨不小的變數(shù)。中國(guó)正在推動(dòng)該市場(chǎng)向前發(fā)展，而除了波長(zhǎng)以外的技術(shù)都可能有很大的變化。

兩大應(yīng)用領(lǐng)域態(tài)勢(shì)不同

汽車激光雷達(dá)落地主要是在PC與LCV和Robotaxi（無(wú)人駕駛出租車）兩大領(lǐng)域，其各自有不同的發(fā)展態(tài)勢(shì)。自2019年以來(lái)，Robotaxi在這一市場(chǎng)中所占的份額一直高于乘用車市場(chǎng)。當(dāng)然，所使用的激光雷達(dá)也不一樣，前者是昂貴的激光雷達(dá)，最初每臺(tái)激光雷達(dá)價(jià)格高達(dá)75000美元；后者是2019年后Waymo等廠商自研的激光雷達(dá)，成本降低了90％。

事實(shí)上，早在2016年8月NuTonomy就在新加坡首次推出了Robotaxi服務(wù)，隨后是谷歌母公司旗下的Waymo和通用汽車旗下的Cruise在2017年入局，這兩家公司的運(yùn)營(yíng)分別始于美國(guó)亞利桑那州的鳳凰城和加州的舊金山。

時(shí)至今日，中國(guó)Robotaxi企業(yè)已在全球崛起，滴滴、AutoX（安途）和百度都加入了這一賽道。這些企業(yè)正在全球各個(gè)城市開(kāi)展新的服務(wù)，使得用于Robotaxi的激光雷達(dá)市場(chǎng)遙遙領(lǐng)先于用于乘用車應(yīng)用市場(chǎng)。

Yole Intelligence的照明與ADAS系統(tǒng)高級(jí)分析師Pierrick Boulay解釋道：“2022年我們處在一個(gè)十字路口，當(dāng)時(shí)PC與LCV和Robotaxi兩個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生的收益幾乎相同：乘用車收益為1.69億美元，Robotaxi收益為1.63億美元。不過(guò)，這兩個(gè)市場(chǎng)有著不同的增長(zhǎng)潛力：2022年至2028年間，乘用車的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為69%，而同期Robotaxi的年均復(fù)合增長(zhǎng)率僅為25%?！?/p>

2022-2028汽車應(yīng)用激光雷達(dá)市場(chǎng)

中國(guó)主機(jī)廠勢(shì)頭更勁

顯而易見(jiàn)，中國(guó)的主機(jī)廠正在推動(dòng)將激光雷達(dá)集成到他們的汽車中，目前已有超過(guò)25家不同的中國(guó)主機(jī)廠正在他們的汽車上搭載激光雷達(dá)。

盡管歐盟或美國(guó)的主機(jī)廠將激光雷達(dá)的使用僅限于F級(jí)車（全尺寸豪華車型）中，但中國(guó)的主機(jī)廠目前正在發(fā)布搭載激光雷達(dá)的D級(jí)車（大型家用車）。這類車的價(jià)格比F級(jí)車細(xì)分市場(chǎng)便宜得多，而且由于這類車的生產(chǎn)數(shù)量多得多，因此激光雷達(dá)的用量也將激增。

汽車激光雷達(dá)生態(tài)體系相當(dāng)龐大，除了名不見(jiàn)經(jīng)傳的，還有50家公司備受關(guān)注。一些公司已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)，而另一些仍尚處于研發(fā)階段，正在開(kāi)發(fā)下一代激光雷達(dá)。

Pierrick Boulay認(rèn)為：“就Robotaxi市場(chǎng)而言，沒(méi)有幾家企業(yè)能夠產(chǎn)生可觀的收益。禾賽科技以67%的市場(chǎng)份額控制著整個(gè)市場(chǎng)，他們的激光雷達(dá)用于大多數(shù)Robotaxi，如Cruise、Aurora、阿波羅、滴滴、小馬智行以及AutoX。事實(shí)上，禾賽科技已取代了此前引領(lǐng)該市場(chǎng)的全球激光雷達(dá)巨頭Velodyne?！?/p>

在PC和LCV市場(chǎng)，情況正在迅速變化，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將再次發(fā)生變化。自2018年以來(lái)，由于與奧迪、本田和梅賽德斯的合作，法雷奧（valeo）一直是市場(chǎng)上的領(lǐng)導(dǎo)者，因?yàn)樵摴緸榘l(fā)布的大多數(shù)搭載激光雷達(dá)的汽車供貨。

2022年，市場(chǎng)發(fā)生了巨大變化，此前相對(duì)不為人知的Innovasion創(chuàng)下了新高，向蔚來(lái)交付了56000多臺(tái)激光雷達(dá)。Innovasion的搭載量接近了法雷奧，差距只有幾百臺(tái)。

最顯著的變化之一是排名第三的禾賽科技的加入，第四名速騰聚創(chuàng)（RoboSense）也是緊追不舍。這些中國(guó)公司在2022年才開(kāi)始批量發(fā)貨，并與大多數(shù)中國(guó)主機(jī)廠建立了合作關(guān)系。

其他玩家分享了剩下的11%市場(chǎng)份額；由于與小鵬的合作關(guān)系，大疆Livox（覽沃）的市場(chǎng)份額達(dá)到8%。

2023年，禾賽科技和速騰聚創(chuàng)預(yù)計(jì)將領(lǐng)先乘用車激光雷達(dá)市場(chǎng)，占據(jù)前兩位。這對(duì)中國(guó)玩家來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的成功，但法雷奧仍然保持著良好的狀態(tài)，因?yàn)槠涞谌a(chǎn)品Scala 3有10億美元訂單在手。

2021-2022年乘用車和輕型商用車激光雷達(dá)市場(chǎng)份額

激光雷達(dá)技術(shù)“變”是主旋律

在技術(shù)方面，有值得關(guān)注的四個(gè)類別，其中，只有一個(gè)類別預(yù)計(jì)會(huì)在未來(lái)十年內(nèi)大致保持不變，即波長(zhǎng)。而其他三個(gè)類別中，我們可以看到成像技術(shù)、發(fā)射器類型和所用光電探測(cè)器類型將獲得重大發(fā)展。

波長(zhǎng)是唯一保持穩(wěn)定的東西。2023年，NIR（近紅外）波長(zhǎng)（905/940nm）預(yù)計(jì)將占乘用車激光雷達(dá)用量的84%。在接下來(lái)的十年里，預(yù)計(jì)近紅外和SWIR（短波紅外）之間的比例將保持不變。

在SWIR領(lǐng)域，只能使用兩種類型的組件：1550nm的光纖激光器和APD（雪崩光電二極管）。1550nm波長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)人眼安全并具有更長(zhǎng)的檢測(cè)范圍，但這也是有代價(jià)的。這類激光雷達(dá)的功耗大約在30W左右，而近紅外激光雷達(dá)的功耗在10W到15W之間。

在成像技術(shù)方面，基于轉(zhuǎn)鏡的混合固態(tài)激光雷達(dá)占主導(dǎo)地位，預(yù)計(jì)2023年的用量將達(dá)到68%，其次是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的激光雷達(dá)，占30%。在未來(lái)十年，基于旋轉(zhuǎn)反射鏡的激光雷達(dá)的份額將仍為56%。MEMS激光雷達(dá)的份額預(yù)計(jì)將降至7%，因?yàn)閺膰?yán)格意義上來(lái)講，MEMS并不能算純固態(tài)激光雷達(dá)，因?yàn)樵贛EMS方案中沒(méi)有完全消除機(jī)械，只是將機(jī)械微型化了。

新出現(xiàn)的全固態(tài)閃光（Flash，泛光面陣式）激光雷達(dá)可能在未來(lái)十年占據(jù)32%的份額。其原理是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，再以高度靈敏接收器完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。閃光式激光雷達(dá)是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中較為成熟的技術(shù)。

上述變化與光發(fā)射器和光電探測(cè)器的變化有關(guān)。事實(shí)上，基于多結(jié)的VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）陣列正在迅速改進(jìn)，與SiPM（硅光電倍增管）或SPAD（單光子雪崩二極管）相結(jié)合，將能夠提供無(wú)移動(dòng)部件的全固態(tài)激光雷達(dá)。

VCSEL是一種垂直表面發(fā)光的新型激光器，結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器（EEL）不同。這帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)：小發(fā)散角和圓形對(duì)稱的遠(yuǎn)、近場(chǎng)分布大大提高了與光纖的耦合效率，不需要復(fù)雜且高成本的光束整形裝置，與多模光纖的耦合效率可超過(guò)90％。

另外，VCSEL的許多物理特性也優(yōu)于傳統(tǒng)方案，可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，同時(shí)大幅降低開(kāi)發(fā)成本。在制造工藝方面，VCSEL與發(fā)光二極管（LED）兼容，有助于降低大規(guī)模制造的成本。

顧名思義，多結(jié)VCSEL是相對(duì)于單結(jié)VCSEL而言，單結(jié)的單孔出光功率一般為5-10mW，以Lumentum 2021年發(fā)布的五結(jié)VCSEL陣列為例，其905nm VCSEL的單孔輸出光功率可超過(guò)2W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，五結(jié)VCSEL在105℃時(shí)的峰值功率密度大于2kW/mm。目前，多結(jié)VCSEL陣列已成為全球各大廠商陸續(xù)重點(diǎn)布局的產(chǎn)品，未來(lái)5-10年，VCSEL有望逐漸取代邊發(fā)射激光器成為主流的激光元件。

特別是在自動(dòng)駕駛應(yīng)用中，采用dToF（直接飛行時(shí)間）VCSEL激光雷達(dá)，可以通過(guò)不同陣列模式制作出多種類型的傳感器，有望完全替代現(xiàn)有的功能單一的紅外傳感器、超聲波傳感器，以及隱私性與安全性不足的攝像頭傳感器。

事實(shí)上，SiPM和SPAD比APD靈敏得多。這兩種元件正在取代近紅外區(qū)域的APD，未來(lái)十年內(nèi)，SiPM和SPAD將分別占到60%和22%的市場(chǎng)。

激光雷達(dá)上車難點(diǎn)有三

目前激光雷達(dá)大規(guī)模上車仍面臨多個(gè)難點(diǎn)，一是成本過(guò)高；二是更長(zhǎng)探測(cè)距離、更高分辨率、更高信噪比；三是輕量化及全固態(tài)。在核心光源方面，使用低成本VCSEL是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

為了解決上述問(wèn)題，需要發(fā)展高功率VCSEL技術(shù)。2021年，多結(jié)VCSEL開(kāi)始商業(yè)化，將905nm VCSEL芯片用于車載激光主視雷達(dá)。多結(jié)VCSEL在效率提升方面的優(yōu)勢(shì)比較明顯，相對(duì)邊發(fā)射而言，多結(jié)增益呈倍數(shù)增加，而每結(jié)損耗更低，同時(shí)，減少了串阻意味著具有更低的電壓和更高的效率，3結(jié)的最高效率可達(dá)62%。

事實(shí)上，多結(jié)VCSEL真正上車也面臨一些難題，對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō)，主要在于技術(shù)自主可控。目前，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開(kāi)發(fā)了自有技術(shù)，提升了光場(chǎng)、量子耦合效率和增益，也申請(qǐng)了相關(guān)的國(guó)內(nèi)和國(guó)際專利。

量產(chǎn)能力是關(guān)鍵

最后，來(lái)解讀一下2018-2025汽車激光雷達(dá)發(fā)展路線圖。

2018-2025汽車激光雷達(dá)發(fā)展路線圖

目前，我們正處在第三代激光雷達(dá)面世前的十字路口，此前技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)主要是探測(cè)距離和分辨率；2024年后將更多聚焦在價(jià)格和數(shù)量，也就是量產(chǎn)能力。隨著一些廠商第三代、第四代和第五代產(chǎn)品的推出，激光雷達(dá)的價(jià)格將有望降到汽車行業(yè)夢(mèng)寐以求的500美元以下！