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火热的激光雷达,迎来关键时刻

据沙利文的统计及预测,至2025年激光雷达全球市场规模为135.4亿美元,较2019年可实现64.63%的年均复合增长率。

激光雷达市场正在呈现高速发展态势。

激光雷达是“光探测和测距”(Light detection and ranging)的简称,本质上是激光探测和测距,是一种用于精准获取物体三维位置信息的传感器,其原理是通过发射与接收激光来探测与目标物之间的距离,再根据目标物表面的反射能量大小、反射波谱幅度、频率和相位等信息,精确绘制出目标物的三维结构信息。

激光雷达具有精度高、范围大、抗干扰能力强的特性。按照测距原理,激光雷达可以分为ToF(飞行时间测距)和FMCW(调频连续波),其中ToF路线是当前大多数厂商采用的主流技术方案,通过记录短脉冲发射到接收反射光之间的时间来测量距离,并在测量过程中通过反射光的角度来测量物体的位置。ToF激光雷达系统工作在波长850和905nm,接近可见光光谱。因此,最大激光功率受到限制,探测距离存在瓶颈。

相比之下,FMCW激光雷达允许更高的探测灵敏度和准确性。信噪比与传输光子的总数成正比,而与峰值激光功率无关。有专家称,FMCW激光雷达有望完全替代当前更广泛应用的ToF激光雷达不过,FMCW也有自己的短板,复杂度比ToF脉冲激光雷达更高,同时对激光光源有更严格的要求。目前FCMW方案在研居多,未来预计两者将会并存。

根据扫描方式分类,目前激光雷达可分为三类:机械式、混合固态式(半固态式)以及纯固态式。这三类有各自的优缺点,例如机械式发展最成熟,扫描速度快,可以360度全方位探测,但受限于体积、使用寿命和成本高等问题无法大规模量产,更多的用于算法标定和Robotaxi领域;混合固态有转镜方案,棱镜方案,MEMS微振镜等多种方案,成本较低,但视野有限,不能实现360度探测;纯固态或将是未来发展趋势,有OPA光学相控阵、Flash和电子扫描等技术路线,但同样需要技术的进一步突破才能实现量产。

火热的激光雷达,迎来关键时刻插图

实际上,激光雷达当前阶段的痛点主要在于其成本高昂难以量产。以激光雷达龙头公司Velodyne为例,其64线机械激光雷达售价高达8万美元,32线机械激光雷达售价约2万美元;而全固态、半固态雷达的价格约为1000美元左右。国内禾赛科技的激光雷达产品平均售价也基本超过10万元。

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数据来源:前瞻产业研究院

近年来,随着激光雷达从机械式向固态式发展的趋势,以及中国相关产业链的成熟与完善,特别是中游激光雷达已经有不少国产厂商如禾赛科技、大疆、华为、速腾聚创、镭神智能等。激光雷达成本实现了快速的降低。其中OPA式的固态激光雷达在量产后有希望降到200美元以下。

据沙利文的统计及预测,激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势,至2025年全球市场规模为135.4亿美元,较2019年可实现64.63%的年均复合增长率。其中,在汽车和工业应用领域,Yole发布的《2021年用于汽车和工业应用的激光雷达》报告显示,激光雷达市场规模预计将从2020年的18亿美元增至2026年的57亿美元,复合年增长率(CAGR)为21%。

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数据来源:YOLE


汽车应用正在推动激光雷达发展


激光雷达在自动驾驶车辆的定位、路径规划、决策、感知等方面有着重要的作用。从落地上看,沃尔沃和Luminar宣布量产;蔚来选择图达通的激光雷达作为ET7的标配;小鹏P5搭载了大疆旗下览沃的激光雷达;理想也与禾赛科技展开了下一代车型的合作。由此看来,激光雷达仍然是绝大多数企业走上自动驾驶的必经之路,2022-2025年之间预计绝大部分的主机厂会量产上激光雷达。

Yole市场分析师Alexis Debray表示:“2020年激光雷达在ADAS中的应用占汽车和工业激光雷达市场的1.5%。预计到2026年这一比例将达到41%,市场规模将达到23亿美元,同期CAGR高达111%。”

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图源:YOLE

与此同时,包括自动驾驶出租车和自动班车在内的Robotic cars市场,预计到2026年将达到 5.75 亿美元,同期复合年增长率为 33%。

技术选择和供应链管理是激光雷达发展的关键因素。Yole发布的《2021年用于汽车和工业应用的激光雷达》报告中对已经落地的29个项目中的激光雷达供应商、市场份额、波长分类以及技术分类进行了汇总。

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供应链分析-已知采纳的29个设计,图源:YOLE

能够看到,法雷奥占比28%排在首位;RoboSense(速腾聚创)占比10%排名第二;Luminar、Livox(大疆)、电装、大陆、Cepton五家厂商以7%占有率并列第三;紧随其后的是Innoviz、Ibeo、Innovusion、华为、禾赛科技、Innovusion(图达通)、Velodyne等企业,占有率均为3%。其中,有5家中国厂商,分别是速腾聚创、Livox、华为、禾赛科技、图达通。

回顾行业发展历程,自2005年Velodyne的David Hall发明3D实时激光雷达以来,至今已有80多家激光雷达公司成立。许多厂商都押注于新技术,导致了激光雷达领域的技术充满多样性。Yole分析师 Pierrick Boulay表示,“尽管存在如此巨大的多样性,但传统的技术仍然代表着汽车行业的大多数设计成果。”

车载激光波长主要有905nm和1550nm两种,从不同技术路线来看,汽车制造商的首选仍然是基于905nm波长的边发射激光器EEL,但是基于1550nm的激光雷达正逐渐赢得市场。相比较而言,905nm激光雷达的优势主要体现在成本方面,早期机械激光雷达多采用此波长;但1550nm功率大,抗干扰性更好,在雨雾天气下具有更大优势,对人眼的危害更小,且有望通过硅平台进行集成,后续市场或倾向于采用1550nm波长,如Innovusion,禾赛科技,Luminar,Innoviz,Aeye,镭神智能都采用了1550nm波长光源。

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激光雷达演进趋势(图源:YOLE)

对于成像方法,报告显示,2020年后机械式激光雷达技术路线逐渐式微,MEMS和Flash技术路线将借由上游元器件的成熟度和成本优势而逐渐趋于主流。虽然MEMS激光雷达和Flash激光雷达市场份额正在快速上涨,分别达到17%和10%;但机械式激光雷达仍被主机厂广泛使用,市场占比高达66%。在国内上榜企业中,速腾聚创、禾赛和华为多线布局,图达通走的是混合固态技术路线,大疆主要采用自己改进的扫描方式。

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基于成熟技术的机械激光雷达将继续使用,但新的技术也在逐渐发展

图源:YOLE

  • 机械旋转式激光雷达是通过电机带动整个激光头做圆周运动,环绕分部的激光呈360°旋转扫描。基于这种工作原理,机械旋转式激光雷达需要依靠增加收发模块来实现高线束,整套系统元器件成本非常高。此外,传统机械旋转式激光雷达还牵涉到复杂的光路调试、装配过程。这些都导致传统机械旋转式激光雷达成本较高,且可靠性较差,难以达到车规级应用的状态。

  • MEMS激光雷达是较为成熟的半固态激光雷达,也是当下乘用车前装量产的主流方案。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,但下降空间也相对有限。

  • 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。不过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。

围绕激光雷达的技术路线之争,一直是个绕不开的话题。就当下市场而言,相较机械式激光雷达,固态式、半固态式激光雷达在量产可行性方面更具优势,在现阶段更能展示风向标。但是,依然很难说具体哪个路线会成为行业的未来。


激光雷达行业的走势与出路


激光雷达的量产进展是影响这一市场发展的重要因素。今年以来,国内外车企纷纷加速激光雷达的量产落地进程。小鹏P5、蔚来ET7、极狐阿尔法S、智已L7等搭载激光雷达技术的车型都已经或将于今年年底到明年年初交付。不仅仅是自主品牌,本田或日产等国际传统巨头也陆续宣布将在量产新车上搭载激光雷达。

有数据显示,截至2021年第三季度,有60多家激光雷达公司瞄准了汽车行业。不同的技术被使用,在参与者之间,一些仍在研发,有一些已经在大规模量产了。有观点认为,因为激光雷达市场还很年轻,所以有如此多的企业是正常的,但随着成熟程度的提高,预计参与汽车行业的企业数量将会减少。

因为随着市场规律的优胜劣汰,有些企业将无法筹集足够的钱来维持生存,有些会被收购,有些则被迫倒闭。一方面,激光雷达公司之间将会有更多的收购,比如大陆过去收购了ASC;Aurora收购了Blackmore,今年又收购了OURS技术公司。

此外,自动驾驶的发展自然也会吸引主机厂和Tier1供应商的关注,其他来自半导体或消费领域的企业也将加入竞争。在这场完全自主的竞赛中,拥有大量资源或雄厚资金的大型企业将对相关公司进行收购或合作。包括主机厂、头部Tier1厂商以及高通、英伟达或英特尔等半导体公司正在通过收购提升自身产品布局和竞争力,将自己定位于自动驾驶系统的中心。

同时,来自消费市场的公司,如苹果、华为或小米也正在进入市场。根据其战略,他们正在自己造车或成为汽车行业的供应商。

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图源:YOLE

这可能重塑汽车业的格局。Ouster首席执行官Angus Pacala在接受采访时表示,在未来五年内,可能只有三到五家激光雷达公司将生存下来。

未来几年,收购的故事或将在激光雷达行业更频繁地上演。鉴于资本的集聚效应,头部玩家或将获得更多优质资源、占据有利生态位,逐步形成马太效应。而对于新入局者和潜在入局者而言,如果不能及时满足市场的需求,则会被遗忘在历史的长河之中。

任何时代或市场从来不缺风口和机遇,重要的是如何成为那个勇立潮头,引领时代浪潮的人。

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