2022年中国激光雷达产业链全景图鉴:多技术路线并行,经济性持续提升「图」-不锈钢3D打印工厂

2022年中国激光雷达产业链全景图鉴:多技术路线并行,经济性持续提升「图」-不锈钢3D打印工厂插图

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一、激光雷达产业链

1、产业地位及发展历程

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备,通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达是常用的三种雷达,三种雷达技术各具优劣,其中激光雷达是利用激光实现3D感知的现代光学遥感技术,未来自动驾驶核心传感器。

早期激光雷达主要用于科研及测绘项目,进行气象探测以及地形测绘。随着技术的发展,激光雷达的应用领域得到拓展,包括工业测量以及早期的无人驾驶研究项目等。激光雷达产业自发展以来,不断引入新的技术架构,从单点激光扫描到多线激光,从机械旋转式到半固态、固态式,以及如今车规级、芯片化的发展,相关技术和专利持续发展同时企业入局持续持续提升,市场商业成熟度越来越高,同时随着无人驾驶高层级渗透率持续提升,激光雷达需求持续扩张。

激光雷达发展历程

2022年中国激光雷达产业链全景图鉴:多技术路线并行,经济性持续提升「图」

资料来源:公开资料整理

激光雷达属于智能传感器,是智能驾驶和无人驾驶汽车领域中汽车电子控制系统的信息源,是车辆信息重要输入重要环节,另外汽车智能驾驶传感器还包括摄像头、微波雷达、毫米波雷达、超声波传感器等。

自动驾驶在感知层面目前有两条实现方案,一是纯视觉算法,即仅依靠车载摄像头进行信息搜集,通过多摄像头有捕捉到的2D图像映射到3D空间中,该方案算法精度和算力水平要求较高,恶劣环境下的安全性有待考证,目前以特斯拉为主要推动者;二是自动驾驶实现方案为在摄像头的基础上增加传感器,以此提高环境感知的敏感性和精准度,成为目前主流ADAS方案。目前智能传感器包括毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达,激光雷达整体成本较高,但整体精度较高。

智能及无人驾驶汽车传感器需求

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三种汽车位移传感器主要特点对比

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就产业链来看,激光雷达上游主要为激光发射、激光接收、扫描系统、信息处理相关的零部件,激光发射主要分为激光器和准直镜、扩散片和分束器等光学器件,激光接收主要分为光电探测器和透镜、窄带滤光片等光学器件,扫描系统主要包括旋转电机、扫描镜和MEMS微振镜等,信息处理为FPGA芯片和模拟芯片,其中光电探测器、FPGA芯片、模拟芯片等均被海外垄断,激光器、光学器件国内已有部分企业可实现进口替代;中游激光雷达厂商的技术路线百家争鸣,国内禾赛科技累积交付量破万,处于领先地位;下游领域主要为ADAS、高阶智能驾驶、车联网、无人机&机器人等。

激光雷达产业链示意图

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2、基本参数

激光雷达目前尚处技术驱动阶段,技术路线百花齐放,需要随着产品的量产持续验证。按照激光雷达的构成和原理,测距原理、激光波长、发射装置、接收装置、扫描方式是激光雷达的五大技术维度,不同的维度衍生出不同的技术发展方向,下游主机厂依照这五个维度设计组合形成特色技术方案,不同的技术路径又导致激光雷达成品在测距、测速、测角、精度、范围、功耗、集成度等性能上的差异,继而决定了各主机厂的产品能力和远期潜力。

激光雷达性能参数

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激光雷达种类众多,实现原理各不相同。在测距原理方面,有ToF法和FMCW法,当前ToF法是主流;在扫描方式方面,有机械式、半固态MEMS、半固态转镜、固态OPA、固态Flash等,当前MEMS和转镜方案是主流。在激光光源方面,主流的波长有905nm和1550nm两种,发射器有EEL、VCSEL和光纤激光器三种;在接收探测器方面,主要有APD、SPAD和SiPM三种。

激光雷达分类情况

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3、技术趋势

就激光雷达整体技术趋势来看,短期内半固态(混合固态)将是市场主流,但相关产品仍存在改进空间,未来单片集成将是主流趋势。具体来看,目前激光雷达半固态扫描模块已较为成熟,相关产品逐渐通过商用反馈进行工程改进。半固态激光雷达的商用可以帮助激光雷达厂商在早期积累车载使用经验,帮助后续固态激光雷达产品的设计做到与主机厂需求更好的契合,且随着产业技术推进,目前全球和国内已有部分布局固态产品,但整体商业化仍较远,中期随着激光雷达固态逐步渗透,可实现激光雷达的模块化生产组装,远期目标是激光器芯片的单片集成。

激光雷达发展趋势

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二、上游端

1、上游成本结构及综述

激光雷达主要包含发射、接收、信息处理和扫描等四大模块。发射端的发射光学系统包括光束控制器、激励源、激光器;不同光源成本差距较大,发射端是激光雷达重要成本构成,占30%-50%。接收端将光信号转换成电信号,主要有光电探测器以及处理芯片,最后放大信号并使用芯片进行处理。光束控制需要扫描系统,不同扫描方式会有不同结构设计。

激光雷达成本结构及主要供给厂商激光雷达成本结构及主要供给厂商

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目前,激光雷达尚未规模化量产上车的原因主要在于一直以来激光雷达都面临着车规级、规模量产和价格高昂等问题。,随着激光雷达技术逐渐从机械式向MBMS等混合固态演进,产品价格普遍下降,相较于机械式激光雷达普遍定价上万美元,大部分已量产或即将量产的混合固态激光雷达定价普遍在1000美元左右,例如法雷奥Scala定价600美元,览沃科技激光雷达定价1000美元级别。随着成本快速下降,目前上有不少主机厂宣布新车将搭载激光雷达作为L3级别自动驾驶的核心传感器。

激光雷达价格下降趋势

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资料来源:公开资料整理

2、发射端

1)激光器

激光器是激光雷达核心部件,主要由泵浦源、增益介质、谐振腔等组成。激光器光学系统中的增益介质通过吸收泵浦源产生的能量,使得增益介质先从基态跃迁到激发态,再释放能量回归到基态的稳态。在释能的过程中,增益介质产生出能量、波长、方向高度一致的光子,通过光学谐振腔的反射放大最终形成激光束。

从国内激光器市场规模发展来看,随着智能设备、消费电子、新能源等领域对激光器的需求不断增长以及医疗、美容仪器设备等新兴应用领域的持续拓展,激光器市场规模保持稳定增长。数据显示,2021年我国激光器市场规模约为129亿美元,同比上升18.24%。细分方案来看,EEL发展较早,整体技术工艺相对成熟且成本较低,市场占比最高。

2017-2021年中国激光器市场规模及增长率

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资料来源:《中国激光发展报告》,华经产业研究院整理

激光雷达发射端光源占比

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资料来源:公开资料整理

2)激光器分类

激光器分类对比来看,按工作介质不同,激光器种类多样,目前常见的几种光源主要包括边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、固体激光器以及光纤激光器等。EEL通过脉冲电流驱动,输出窄脉宽且高功率激光束,作为探测光源具有发光面积更小且光功率密度更高,但使用过程中工艺步骤复杂,依赖产线工人的手工装调技术,生产成本高且一致性难以保障。VCSEL是一种以半导体为基础的激光二极管,从其顶面垂直发射高效光束,制造工艺与EEL相兼容,且规模制造的成本低,生长结构更易于提高输出功率,当前波长以810nm、850nm和940nm为主。光纤激光器采用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质,一般用作1550nm激光雷达光源,配合调频连续波(FMCW)技术,可以检测距离的同时利用多普勒频移来测量速度。固体激光器采用固体激光材料作为增益介质,是闪光式车载激光雷达(Flash LiDAR)技术路线的激光光源方案,能够实现大角度视场。

主要激光器分类对比情况

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资料来源:公开资料整理

3)光纤激光器

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,与其他激光器相比,光纤激光器拥有结构简单、转换效率高、光束质量好、维护成本低、散热性能好等优点,已成为金属切割、焊接和标记等传统工业制造领域的主流光源。国内是工业激光产品最大市场,约占工业激光器1/3的份额且比重持续提升,大部分的工业激光器在中国生产或是出口至中国。根据数据,2021年中国光纤激光器市场规模约为124.8亿元,同比2020年增长32.5%,占工业激光器的53%。

2021年中国光纤激光器竞争格局中,IPG的市场规模继续下降到28.1%,锐科激光上升到27.3%,几乎和IPG持平。预计2022年光纤激光器的市场会面临行业较大的洗牌。

2017-2021年中国光纤激光器市场规模及增长率

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资料来源:《中国激光发展报告》,华经产业研究院整理

4)发射光学系统

发射光学系统主要由扩散片、准直镜、分束器组成,作用关键,随着激光雷达整体需求持续扩张,整体应用前景广阔。由激光器发射的原始激光本身为不均匀的点状光,其存在的“热点”会烧毁被照射的器件和物体,同时存在光斑形状不规则(例如一般是椭圆形或长条形)、发散角不同等缺点,并不能直接发射,而发射光学器件通过扩散片、准直镜、分束器的相互配合,可以将原始激光转化为均匀的光束,作用较为关键。

准直镜作用主要为将光束变成平行光,扩散片作用主要将光束变成特定和形状的同时均匀分布,分束器主要将光束分散成多束光纤。

发射光学系统组成及示意图

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资料来源:公开资料整理

5)光源

由于要避免可见光对人眼的伤害,激光雷达选用的激光波长有两种选择,一个是 1000nm以内的,典型值是 905nm,还有一种是 1000 到 2000 纳米之间的,典型值是 1550nm。目前905nm 是主流波长,相比而言 1550nm 波长具备穿透能力强、人眼安全等优点,但同时也有价格昂贵、雨雪天效果差等缺点,因此我们认为车载激光雷达这两个波段对于车载传感器来说,短期内是一个互补共存的状态,长期来看随着 1550nm 技术的不断迭代和成本下降,1550nm 的应用比例会持续上升。

不同波长激光对比

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资料来源:公开资料整理

近几年积极布局 1550nm 光源的企业有图通达、Luminar 和镭神智能等。2022 年国内开始有采用 1550nm 波长光源的激光雷达开始交付。从下表可以看出,目前采用 1550nm 波长光源的主要为图通达猎鹰激光雷达,2022 年 Q1 开始给蔚来 ET7 交付;一径科技 ML-XS,应用于嬴彻科技干线物流车上,预计 2022 年-2023 年才交付;镭神智能自研光纤激光器,也发布了 LS 系列 1550nm 半固态激光雷达产品。

布局1550光源的部分厂商及产品情况

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资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2023-2028年中国激光雷达行业市场深度研究及投资前景展望报告》;

3、接受端

光电探测器(光电二极管)品类较多,主要包括PIN、APD、SPAD和SiPM等。APD是一种高灵敏度PD,其光生载流子在强电场的作用下加速获得足够的能量,与晶格原子发生碰撞,使晶格原子电离出电子-空穴对,是ToF类激光雷达目前主要使用的较为成熟的探测器。SPAD是工作在盖革模式下的APD,器件两端的反向偏压高于其击穿电压,灵敏更高但技术难点较多,且过于灵敏的接收也会导致通道串扰大、寄生脉冲等问题电路设计等工艺难题带来较高的制造成本。SiPM是由多个独立且带有淬灭电阻的SPAD组成,每个单元是独立的,最终输出的信号是多个像素输出信号叠加,有幅度变化,照射到SiPM的光子数越多,幅度越大,可探测距离超过200m,但串扰和温度等难题待解决。

光电二极管按结构和功能分类状况

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资料来源:公开资料整理

目前 APD 是主流,未来 SPAD/SiPM 是趋势。APD 的优势在于技术成熟,成本低。SPAD 的增益能力强,目前已经逐渐被主流厂家采用。

各类探测器性能比较

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就全球整体光探测芯片市场规模而言,下游自动驾驶、光通信和医学探测等领域持续增长,全球光探测市场规模持续扩张,根据数据,2021年全球光探测芯片市场规模达45.6亿美元,同比2020年增长近14%。随着国内汽车智能化趋势、视频成像等领域加速布局扩张,预计光探测芯片经保持稳步增长态势,2025年可达66.7亿美元。

2020-2025年全球光探测芯片市场规模及预测

2022年中国激光雷达产业链全景图鉴:多技术路线并行,经济性持续提升「图」

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

国内目前参与厂商较散,产品体系丰富度、成熟度低,厂商对于探测芯片方案的选择较为分明,以光迅科技、光森电子、三安光电为首的公司选择传统成熟的PIN-PD、APD领域,产品较多运用于光通信产业链中;以芯视界、灵明光子、阜时科技为首的一众创企较多选择布局未来方向的SPAD/SiPM,国产SPAD/SiPM探测器正陆续应用于消费电子、激光雷达、AR/VR、医疗等领域。

光探测芯片国产化现状

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资料来源:公开资料整理

就全球整体光探测芯片市场规模而言,下游自动驾驶、光通信和医学探测等领域持续增长,全球光探测市场规模持续扩张,根据数据,2021年全球光探测芯片市场规模达45.6亿美元,同比2020年增长近14%。随着全球和国内汽车智能化趋势、视频成像等领域加速布局扩张,预计光探测芯片经保持稳步增长态势,2025年可达66.7亿美元。

2020-2025年全球光探测芯片市场规模及预测

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资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

国内光电探测器参与厂商较散,产品体系丰富度、成熟度低,各厂商对探测芯片方案的选择分明,以光迅科技、光森电子、三安光电为首的公司选择传统成熟的PIN-PD、APD领域,产品较多运用于光通信产业链中;以芯视界、灵明光子、阜时科技为首的一众创企较多选择布局未来方向的SPAD/SiPM,国产SPAD/SiPM探测器正陆续应用于消费电子、激光雷达、AR/VR、医疗等领域。

光探测芯片国产化现状

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资料来源:公开资料整理

激光接收部分包含了光电探测器和接收光学系统。接收光学系统主要作用是尽可能收集经目标反射后的光能量,将其汇集到探测器的光敏面上,主要由透镜、分束器、窄带滤光片等组成。透镜主要在光路中有完成会聚光线、发散光线、光束整形等作用,主要有非球面透镜、球面透镜,平凸透镜等;分束器把一束入射激光分多束激光,且分束后的每束光都保持原始光束的特性,光束直径、发散角和波前特点都不变,只有功率和传播角度变化。

部分接受端光学组件情况

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资料来源:公开资料整理

滤光片作为接收端光学系统的重要元件之一,可以滤掉掺杂反射光中的自然光,保证接收端信号的准确性,技术壁垒高,产品价值量高,因需要隔离大量光源,窄带滤光片需要镀几十层、甚至上百层的膜,镀膜层数远远多于普通滤光片,而每层的镀膜温度需要精细控制,技术要求较高。因此相较红外截止滤光片,窄带滤光片价格大幅度提升,红外蓝玻璃滤光片的单片价格在1元左右,而窄带滤光片的单片价格在1美元左右,相当于红外滤光片的7倍。

滤光片用途示意图

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资料来源:华经产业研究院整理

4、扫描系统

激光雷达按照扫描系统区别可分为机械式、半固态(混合固态)和固态三种,其中半固态是目前主要扫描方式,主要包括MEMS微振镜、棱镜和转镜。MEMS微振镜是一种基于微机电系统技术制作而成的微小可驱动反射镜,通过精确控制镜面的偏角来控制激光的偏转方向,从而实现光束的指向控制和扫描,镜面直径通常只有几毫米,与传统的光学扫描镜相比,具有重量轻、体积小、生产成本较低的优点,按照驱动方式,可分为静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动其中前两种技术比较成熟,应用相较更广泛;转镜方案将激光收发模组固定,在前方布置两面可旋转的镜子,让电机在带动转镜运动的过程中将光束反射至空间的一定范围,从而实现限定范围内的探测扫描,在功耗、散热等方面有着较大优势,棱镜方案与转镜相似,主要通过两个旋转的棱镜改变光路,从而减少激光发射和接收的线束,随之降低对焦与标定的复杂度,大幅提升生产效率与良率。

MEMS微振镜主流规格

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资料来源:公开资料整理

棱镜和转镜激光雷达基本情况

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资料来源:公开资料整理

目前主流固态激光雷达方向包括OPA激光雷达和Flash激光雷达。OPA采用了高度集成化的光学相控技术,将激光器的功率分配到不同的相位调制器,通过光学天线发射,在空间远场形成较强的能量光束。通过不同的相位,不同角度的光速能够对物体进行扫描。OPA激光雷达具有在成本、量产性、可靠性、可集成性方面的巨大潜力,但是同时存在扫描角度有限、旁瓣、加工难度大等其他技术问题,商业化距离仍较远。

OPA激光雷达工作原理

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资料来源:公开资料整理

FLASH激光雷达在短时间内直接向前方发射出一大片覆盖探测区域的激光,通过高度灵敏的接收器实现对环境周围图像的绘制。优势在于能够快速记录,避免了扫描过程中目标或Lidar自身运动带来的误差,缺点是光源能量分散,探测距离有限。影响Flash激光雷达性能的部件主要是VCSEL及SPAD,随着技术持续发展,FLASH激光雷达有望率先成为商用于中距离探测的固态式激光雷达。

Flash激光雷达优缺点情况

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资料来源:公开资料整理

5、信息处理

主控板是激光雷达运算处理的核心,其成本可以占到整个激光雷达的3成以上,是激光雷达最核心的组成。主控板上主要包括处理芯片(通常是 FPGA)、数模转换芯片、PHY 芯片、CAN 收发器、电源管理等等。

随着下游通讯和工业领域需求稳步发展,新兴领域如汽车电子等领域高速扩张,我国FPGA芯片市场规模整体表现为快速增长,数据显示2020年我国FPGA芯片市场规模达150.3亿元。不同FPGA工艺节点对应不同的主流应用场景,28nm以上制程产品定义为先进产品,目前国内能够实现28nm工艺节点FPGA量产的公司较少主要占比仍以28nm节点以上为主。国际厂商赛灵思的 FPGA 在激光雷达市场上具有统治地位,其他主要供应商仍为外资巨头如英特尔、莱迪思和瑞萨等。

2016-2021年中国FPGA芯片市场规模及预测

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资料来源:公开资料整理

中国FPGA市场细分芯片制程结构

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资料来源:公开资料整理

激光雷达信息处理部分主要包括主控芯片和模拟芯片,基本由海外厂商垄断,国内厂商普遍还存在较大差距。主控芯片一般采用 FPGA,由 Xilinx(赛灵思)、英特尔旗下 Altera、Lattice(莱迪思)三家海外厂商领跑,国内主要的供应商安路科技、紫光国微(002049.SZ)等。

2021年全球FPGA芯片市场格局占比

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资料来源:公开资料整理

模拟芯片包括模数转换器、放大器等,用于激光雷达中的光电信号转换和发光控制,海外的 TI(德州仪器)、ADI(亚德诺)、skyworks(思佳讯)、Infineon(英飞凌)是行业领导者,国内模拟芯片供应商有富满微、上海贝岭(、华润微)、圣邦股份等,在车规级产品丰富度和技术水平上正在加速追赶。

2021年全球模拟芯片市场格局占比

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资料来源:IC Insights,华经产业研究院整理

、下游端

受阻于高成本和车规级要求,激光雷达在量产车上的搭载数量始终未有明显突破,目前全球激光雷达下游应用仍主要是地形测绘和工业制造。数据显示,2021年全球激光雷达总出货量约为27.3万台,其中地形测绘占比60%左右,用于汽车领域约8%。其中用于L4级自动驾驶测试车的占6%,用于量产汽车ADAS的仅占2%。

2021年全球激光雷达下游应用占比情况

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资料来源:YOLE,华经产业研究院整理

激光雷达下游主要可以包括无人驾驶行业、ADAS行业、服务机器人行业、车联网行业等。激光雷达能够对三维空间进行实时高精度重建,是无人驾驶技术实现的关键,产业服务落地离不开激光雷达的高精度感知信息;激光雷达的环境感知能力能够拓展已有的辅助驾驶功能,提升车辆安全性;激光雷达通过赋予服务机器人智能感知的能力实现无人配送、无人清扫等功能,技术也促进了车联网产业兴起。

激光雷达主要应用场景

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资料来源:公开资料整理

1、无人驾驶

随着汽车智能化与电动化的不断升级,无人驾驶汽车成为汽车行业发展的新趋势。在政策和社会需求等多维度因素的推动下, 自动驾驶的服务需求持续增长。数据显示,2021年无人驾驶行业市场规模达93.7亿元,预计2022年无人驾驶行业市场规模将达100.4亿元。

2018-2021年中国无人驾驶汽车市场规模及增长率

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资料来源:公开资料整理

激光雷达弥补摄像头仅能收集2D数据缺陷,可提供周围物体的精确距离测量,使机器能够采集3D图像(收集2D数据后还原成3D场景误差较大,且对算法和算力要求极高)。因此主机厂在切入高阶自动驾驶时,大都会采用激光雷达,即选择多传感器融合方案。随高阶自动驾驶渗透率提升(据统计,2021年L0自动驾驶汽车渗透率超过50%,L1为25%、L2为20%,L3-4渗透率为0),激光雷达将迎来快速增长期。

自动驾驶中智能传感器需求量情况

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资料来源:公开资料整理

2、ADAS

按照SAE的分级,ADAS更接近自动驾驶的L2级别,核心是对驾驶环境的感知,来完成辅助驾驶的任务,激光雷达等智能传感器是关键组成,随着ADAS渗透率持续提升,将带动激光雷达整体需求持续扩张。从市场规模来看,全球ADAS行业市场规模逐年增长,且增速较快。据Statista数据,2020年全球ADAS市场规模达到175.7亿美元,同比2019年增长20.10%。预计2023年将同比增长23.02%达到319.5亿美元。

国内ADAS来看,截止2022年1-9月我国乘用车ADAS装配率已达33.5%,其中L2级为28.4%,L2+级(高阶辅助驾驶)为5.1%。预计到2025年L2及L2+级ADAS装配率有望超过50%,是激光雷达需求持续增长的关键推动力。

2019-2023年全球ADAS市场规模及预测

2022年中国激光雷达产业链全景图鉴:多技术路线并行,经济性持续提升「图」

资料来源:Statista,华经产业研究院整理

2020-2022年9月中国乘用车ADAS装配率变动

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资料来源:公开资料整理

3、服务机器人

服务机器人充分融合计算机视觉、语音识别、自然语言处理、知识图谱等人工智能技术,智能化水平显著提升,无论产品应用的广度,或是技术深度都产生了可观的进步,在无人服务等领域离不开激光雷达的技术支持。据资料显示,2020全球服务机器人市场规模达94.6亿美元,同比2020年增长22.5%。

国内来看,随着人口老龄化趋势加快,以及医疗、公共服务需求的持续旺盛,我国服务机器人存在巨大市场潜力和发展空间,分布呈现以华东、中南、华北地区为核心,市场规模及产量也随之快速增长。数据显示,2021年我国服务机器人累计产量达921.44万套,同比2020年增长48.9%,2022年1-10月国内受疫情反复影响月度产量下降明显。

2021-2022年10月中国服务机器人月度产量走势

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资料来源:国家统计局,华经产业研究院整理

2016-2023年全球服务机器人市场规模及预测

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资料来源:IFR,华经产业研究院整理

华经产业研究院对中国激光雷达行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2023-2028年中国激光雷达行业市场发展监测及投资前景展望报告》。

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