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激光雷达行业研究:Flash激光雷达,迈向全固态时代

文琳行业研究 | 致力于行业及产业研究 2021/11/26 09:46

(报告出品方/作者:长江证券)

一、Flash 是较易实现的车载全固态激光雷达方案

激光雷达固态升级是主旋律

MEMS 半固态激光雷达是目前最为成熟的半固态激光雷达,也是当下乘用车前装量产 的首选方案。 MEMS 微振镜本质上是一种硅基半导体元器件,其特点是内部集成了“可 动”的微型镜面,采用静电或电磁驱动方式,将以电机为主的扫描系统换成 MEMS驱动的镜片,实现激光雷达的扫描。MEMS 作为较为成熟的半导体元件具备大规模生产 后成本下降的特性,但下降空间有限。

MEMS 依旧存在少量机械结构。 MEMS 的核心部件 MEMS 微振镜属于震动敏感型结 构,如何确保其在车载极端环境下的可靠性是 MEMS 厂商需要解决的问题之一。此外, 精密的微振结构在生产过程中调试难度较大,依旧存在部分手工调节过程,难以满足大 批量、标准化、低成本、快速生产的需求。

MEMS 性能提升潜力较低。 MEMS 方案通过 MEMS 振镜的物理震动来实现光束的反射 和折射,以完成对光束的操控。因此,光束扫描频率与 MEMS 振镜的振动频率直接相 关。但 MEMS 振镜的震动存在物理极限,进而导致了 MEMS 激光雷达的扫描频率提升受限。而全固态方案则不依赖机械运动,主要与脉冲频率有关,因此成像频率在理论上 可无限提升。

MEMS 扫描模式下,扫描频率与扫描角度存在冲突。 MEMS 振镜振动频率越快,则扫 描频率越快。而 MEMS 振动幅度越大,则扫描角度越大。振动频率与振动幅度负相关, 因此扫描频率与扫描角度之间存在冲突。MEMS 振镜震动频率越快,则光束扫描越快, 扫描频率越高,帧率越高,但扫描角度越小。

Flash 激光雷达不存在机械扫描过程,其帧率与脉冲频率有关。 Flash 激光雷达的成像 原理与摄像机类似,其在短时间内向前方发射大面积的激光,依靠高灵敏度的探测器对 回波信号进行收集并绘制成像。Flash 激光单点面积比扫描型激光单点大,因此其功率 密度较低,进而影响到 Flash 激光雷达的探测精度和探测距离。

Flash 激光雷达当前功率密度较低,性能较差

Flash 激光雷达功率密度较低,FoV(扫描角度)、探测距离、探测精度三者难以兼顾。  Flash 方案激光雷达属于泛光成像,其发射的光线会散布在整个视场内,其中包括大量 不必要的区域,因此会对功率造成浪费,从而影响其探测精度和距离。因此,其探测的 FoV 角度越大,便意味着等量的功率所需覆盖的面积越大,则激光功率密度越低,探测 距离越短,探测精度越低。

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Flash 方案的弊病主要可从四个方面解决:提高功率、缩小扫描角度以聚焦、可变扫描 角设计、降低定位。 提高功率是提高 Flash 激光雷达性能最直接的方案,但是实现难度 最大;缩小扫描角度以聚焦、可变扫描角两种方案属于在探测距离和扫描角度之间做取 舍,实现难度较低;降低定位方案的发展思路为放弃提升性能而专注于降本。

“提高功率”方案实现难度最大,可能会导致成本大幅上升。 传统的 VCSEL 激光器存 在发光密度功率低的缺陷,导致只在近距离探测领域有相应的激光雷达产品(通常<50m)。近年来国内外多家 VCSEL 激光器公司纷纷开发了多层结 VCSEL 激光器,将其发 光功率密度提升了 5~10 倍,这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提供了可能。

“缩小扫描角度以聚焦”、“可变扫描角”属于在探测距离和扫描角度之间做取舍的两种 方案,其实现难度较低。 在严格控制生产成本情况下,兼顾扫描角度、探测距离二者的 全能激光雷达研发生产难度较高,专注于某一方面性能的功能性激光雷达有望成为主流。缩小扫描角度以提高在较小扫描范围内的探测距离,属于主雷达发展思路;而可变扫描 角方案则实现了性能侧重点在探测距离和扫描角度之间转换的灵活性,属于平衡型雷达 发展思路。

主激光雷达特点为探测距离远,平衡型激光雷特点为无明显弱势项。 主雷达通常安装在 车辆中央,面朝前方,对探测距离有较高要求,对扫描角度无硬性要求。其通常搭配若 干中短距雷达在车辆周身作为辅助,以弥补其在扫描角度上的不足,代表型产品为 Ouster-ES2。平衡型激光雷达在探测距离、扫描角度等方面无明显弱势项,通常以雷达 组的形式出现,覆盖车辆周身主要视角和方向,代表型产品为速腾聚创 M1。

“降低定位”方案的发展思路为放弃提升性能而专注于降本。 辅助雷达对于性能要求较 低,但对成本更加敏感。Flash 方案激光雷达相比于机械式和 MEMS 的优势在于集成 度、量产成本,而劣势在于短期内性能难以大幅提高,其方案本身特点较为满足辅助雷 达定位。

二、Ouster:逆浪而行的数字激光雷达

坚持芯片化集成技术,产品矩阵完善

Ouster 成立于 2015 年,于 2021 年 3 月通过 SPAC 在北美上市(代码:OUST)。公司 旗下激光雷达产品主要分为机械式的 OS 和固态式的 ES 两大系列。根据公司官网信息, 公司产品命名采用字母+数字的形式:OS 为机械式激光雷达,ES 为固态激光雷达;0、 1、2 分别对应短、中、长距。在 OS 系列三款不同定位产品中,又划分为 32 线、64 线、 128 线三种规格。截至 2021 年 8 月,Ouster 官网合计列示了 9 款机械旋转式激光雷达 和 1 款固态激光雷达。

ES2 固态激光雷达牺牲扫描角度以实现更远的探测距离。前文提到,Flash 方案激光雷 达存在功率密度低的弊病,可通过调整扫描角度或探测距离的方法将有限的功率侧重供 给于某方面性能上。Ouster ES2 固态雷达选择牺牲扫描角度以换取较远探测距离,其 扫描角度仅为 26°* 13°,但探测距离高达 200m(10%反射率),应用领域为 ADAS。

Ouster 产品矩阵较为完善,下游应用场景多样。 公司第一代产品为 OS1,开创性的将 固态的激光收发器与机械旋转扫描结构相结合,定位为中距探测。Ouster 第二代产品为 超广角激光雷达 OS0 和远距离激光雷达 OS2。相比于第一代产品 OS1,OS0 在探测距 离方面更短,但垂直扫描角度翻倍,整体 FOV 角度达到了 360°x 90°的超高水平;而 OS2 的扫描角度仅为 OS1 的一半,但其探测距离相比于 OS1 则提升了一倍,主要用于 远距离探测。目前 Ouster OS 系列产品均已实现量产,使用场景覆盖自动驾驶、无人机、 安防等多个领域。

Ouster 与众不同的三大特质

芯片化、850nm 附近工作波长、数字化是 Ouster 产品的三大特征。 Ouster 专注于数 字化技术,将激光雷达的收发端全部集成到芯片上,使得整个产品的集成度大幅提升, 成本和量产难度大幅降低。此外,在激光波长选择方面,Ouster 凭借自身在环境光抑制 方面的专利技术,采用了光子通量较高的 850nm 附近波长的激光,从而使得自身产品 具备了诸多的特质。而在扫描结构方面,其在 OS 系列产品上延续了传统机械旋转式的 扫描结构,形成了独有的机械式固态方案。

Ouster 专注于芯片集成技术,研发共享度高,可有效降低成本。 不同于传统激光雷达 内部包含了数千个零部件,Ouster 数字激光雷达内部只有一个芯片级激光阵列和一个 CMOS 传感器,大大降低了价格,提高了性能和可靠性。其不同系列产品均采用芯片化 的激光发射器和探测器,区别仅体现在光束操控领域,因此研发成果共享度极高,可有 效降低研发成本。此外,芯片集成技术可使得 Ouster 激光雷达产品的性能提升遵循摩 尔定律,使其性能提升速度远超同类竞品。

环境光抑制技术赋予 Ouster 具备使用 850nm 作为工作波长的能力。 850nm 波长处的 太阳光子通量远高于传统激光雷达使用的 905nm、940nm、1550nm,会在探测器接收 回波信号过程中造成较大噪音干扰。Ouster 拥有独特的环境光抑制技术,即使考虑到太 阳光谱中不同波长的光子通量差异,其探测器仍能够保持较高信噪比。

选择 850nm 作为工作波长为 Ouster 产品带来诸多优势:低水汽吸收性、高 CMOS 探 测器灵敏度。 大气中的水蒸气会吸收部分 905nm、940nm、1550nm 太阳光,因此地表 中上述三种波长光的含量较低,但地表的潮湿环境中的水汽仍然会对上述波长的光进行 吸收,进而使得采用上述三种工作波长的激光雷达能量利用率下降。而 850nm 光在所 有条件下都拥有较低的水汽吸收性,因此Ouster激光在潮湿环境中的受到的影响较低。

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硅基 CMOS 探测器在 850nm 处拥有更高灵敏度。 从 850nm 到 905nm,硅基探测器感 知上述波长的灵敏度降低了约 2 倍。探测器灵敏度下降会直接导致其可接收到的回波信 号减少,降低激光雷达的探测距离和分辨率。

Ouster 将机械式旋转扫描结构融入固态激光雷达之中,形成了独特的数字激光雷达。 Ouster 巧妙的结合了机械旋转式激光雷达 360°扫描和固态激光雷达在成本和集成度 方面的优势,开创了全新的数字激光雷达路线。

应用领域广泛,业绩爆发在即

Ouster 的合作伙伴涉及诸多应用领域,单一合作伙伴合作程度较深,对车载依赖程度 较低。 根据 Ouster 公布信息,公司产品目前应用在诸多领域,包括自动驾驶、机器人、 安防、工业、智慧城市、V2X、农业、地图等,其中自动驾驶、机器人、安防三大领域 合作伙伴数量最多。根据 Ouster 官网列示信息,截至 2021 年 7 月,该三大应用领域合 作伙伴数量分别为 12 个、11 个、10 个。Ouster 与单一合作伙伴在诸多领域均有合作 项目,合作程度较深。

根据 Ouster 官网列示信息,截至 2021 年 7 月,与 Ouster 合作 领域最多的四大合作伙伴为 Unikie、CronAI、Mechaspin、4D Virtualiz,合作领域数量 分别为 6 个、5 个、4 个、4 个。 需要特别指出的是,Ouster 虽然在车载市场的合作伙 伴数量最多,但公司对车载市场的依赖程度并不深。根据 Ouster 的预测,2020-2025 年,自动驾驶对公司营业收入的贡献约为 15%,ADAS 营收贡献约为 2%。

Ouster 的诸多合作伙伴有望为公司在 2025 年带来近 60 亿美元订单。 根据 Ouster 推 介材料公布信息,截至 2021 年 5 月 6 日,公司现有客户有望为公司在 2025 年带来价 值超过 20 亿美元的订单,而全部客户为公司在 2025 年带来的订单价值量有望达到近 60 亿美元。

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公司传感器有望在 2020 年后快速降本,稳步提升毛利率,并在 2023 年后快速放量。 公司目前主推 9 款机械式激光雷达和 1 款车载固态激光雷达,2020 年产品平均售价及 平均成本分别高达 7818 美元和 8119 美元,总毛利率仅为 8%,公司产品有望快速降 本,在 2025 年将产品平均售价及平均成本分别下降至 1703 美元和 809 美元,总毛利 率提升至 59%。Ouster 预计其传感器销量有望在 2023 年之后实现快速放量,2020- 2025 年化复合增长率高达 218%。 产品销量快速提升的原因是公司固态激光雷达产品 有望在 2023 年大量投放市场。

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营业收入和毛利润快速增长,毛利率逐年提升。 根据 Ouster 官方信息,公司营业收入 及毛利润在 2020-2025 年有望实现大幅增长,营业收入 2020-2025 年化复合增长率高 达 142%,毛利润 2020-2025 年化复合增长率高达 242%。公司产品量产带来的规模效 应将持续降低产品生产成本,提高公司产品在市场上的竞争力,并赋予公司更强的议价 能力和提价空间,持续提升毛利率。

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三、Ibeo:多领域布局,均衡型发展路线

专注车载和工业领域

Ibeo 成立于 1998 年,初始专注于激光扫描仪技术的紧急制动系统开发。2000 年,工 业应用传感器和传感器系统制造商 SICK AG 收购 Ibeo 90%的股份成为大股东,同年发 布无任何移动部件的 ALASCA 激光扫描仪。2005 年,公司 ALASCAXT 的探测范围从 80 米扩展到 200 米,并成为 Ibeo 第一个带有 FPGA 的传感器。2007 年,公司发布 Ibeo LUX。2020 年,Ibeo 成为长城汽车再中国的首家激光雷达系列供应商。同年,公司产 品 Ibeo NEXT Generic 样本进入市场,预计将在 2022 年实现量产。

Ibeo 选择可变扫描角方案,面向均衡型雷达方向发展。 Ibeo 目前在车载领域主要有两 款产品。第一款为 2007 年发布的 LUX,其探测距离较近,在车载领域难以独立担当主 雷达的角色,主要作为工业级激光雷达和车载辅助激光雷达。第二款为车规级激光雷达 NEXT Generic,该款激光雷达将激光发射器(10240 个 VCSEL)、激励源(25Hz)、信 号探测器(10240 线 SPAD)集成为三颗 ASIC 芯片,有 11.2°*5.6°和 60°*30°两 种扫描角模式。Ibeo NEXT 传感器包含 128 列 80 行激光发射器和信号探测器。该款产 品使用连续闪烁技术,可逐行对环境进行扫描。

独特 4D 激光雷达,强化车载性能

Ibeo NEXT Generic 4D 激光雷达拥有多种扫描角模式,使用场景多样。Ibeo 开发了业 界全新的 4D 传感器系统,可额外形成黑白图像——强度数据,强度图像将强化车道识 别功能。Ibeo NEXT 的应用场景十分多样,根据应用,可以选择 11.2°x 5.6°或 60° x 30°两种扫描角(目前正在开发 32°和 120°模式)。通过使用多个传感器并将数据 与运行在 ECU 上的软件融合,可以对车辆周围环境进行 360°检测。Ibeo NEXT Generic 可用于从交通拥堵助手到自动驾驶的汽车应用,其在工业领域也有许多用途。

Ibeo 与长城汽车等多家企业建立合作关系。 根据 Ibeo 官网公布信息,截至 2021 年 8 月,公司公布的合作伙伴主要有长城汽车、Sick Sensor Intelligence、ZF、AMS、四维 图新、亮道等企业,涉及领域包括工业应用、汽车电子、光学传感器、自动驾驶、乘用 车等。公司于 2020 年与长城汽车签订激光雷达系列生产合同,成为长城汽车全球首家 激光雷达供应商。长城汽车旗下高端 WEY SUV 未来的量产车型将采用 Ibeo 的技术和 产品,预计激光雷达量产时间为 2022 年,由亮道智能负责全套激光雷达系统的测试和 验证。

Ibeo 车载应用更加多样,Ouster 车载主雷达优势更明显。 通过对比 Ibeo 和 Ouster 两 家 Flash 方案厂商车载固态激光雷达的性能,我们认为两者虽都可用于车载领域,但在 定位上存在差异。Ouster 选择牺牲扫描视场角换取探测距离,定位为车载主雷达。而 Ibeo 则有多种视场角模式可供选择,可在主雷达、辅助雷达两种角色间灵活切换,应用更加多样,使用更加灵活。



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