中信建投:激光雷达渗透加速 上游核心元器件有望优先受益

中信建投:激光雷达渗透加速 上游核心元器件有望优先受益

一、激光雷达为主动测距装置,自动驾驶发展推动产业到达新高度

激光雷达是一种通过发射激光来测量物体与传感器之间精确距离的主动测量装置。激光雷达通过激光器和探测器组成的收发阵列,结合光束扫描,每秒发出成千上万个脉冲,通过收集这些激光反映的距离测量值,可以构建三维环境模型(点云)。

激光雷达过去用于工业测绘、气象监测等领域,未来车载领域将成为最重要细分。气象监测、地形测绘与车载、机器人领域对激光雷达的技术要求不同,分属不同细分市场。根据Yole预测,2021-2026年激光雷达在ADAS和无人驾驶(Robotic cars)市场的CAGR分别达到94%和33%,2026年合计份额达到50%,成为激光雷达规模最大的应用市场。本报告将聚焦于车载激光雷达。

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多传感器融合感知大势所趋,高等级自动驾驶中激光雷达不可或缺

自动驾驶智能化程度随等级提高,L3处于分水岭。无人驾驶与高级辅助驾驶领域通常将自动驾驶技术按照国际汽车工程师协会(SAE International)发布的工程建议J3016进行分类。从L0级(纯由驾驶员控制)至L5级(完全自动驾驶),级别越高,车辆的自动化程度越高,驾驶员参与越小,驾驶员的信息输入交由更多车载传感器的获取与处理来替代。据禾赛科技招股书,L3级是自动驾驶等级中的分水岭,其驾驶责任的界定最为复杂:在自动驾驶功能开启的场景中,环境监控主体从驾驶员变成了传感器系统,驾驶决策责任方由驾驶员过渡到了汽车系统。

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车企主打ADAS渐进发展,互联网企业着手无人驾驶。车企主要将产品卖给个人消费者,基于安全第一、产品量产等理念,技术路线较为保守,大多通过ADAS功能的拓展和完善,渐进式地实现无人驾驶。互联网企业(Waymo、百度等)商业模式以售卖无人驾驶解决方案为主,且由于互联网企业人才储备完善、算法实力强,技术路线相对激进,直接着手于L4/L5的无人驾驶技术研发。

多传感器融合大势所趋。虽然Tesla已取消毫米波雷达,迈向纯视觉方案,但从安全性角度,基于摄像头的视觉方案在暗光、环境大光比以及雨水遮挡的情况下容易失效,难以用算法解决,同时深度学习算法难以避免长尾效应。从商业的角度,大多数主机厂缺乏Tesla的数据和算法积累,跟随Tesla方案难以在同一时期达到相同水平。目前绝大多数厂商均使用多传感器融合技术(包括主打视觉方案的Mobileye也开始自研激光雷达),即通过不同种类的传感器遍布车身,实现360度无死角和远中近扫描,获取海量数据,融合分析后形成驾驶决策辅助驾驶员或控制汽车。各传感器应对不同场景,实现优势互补。

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高等级自动驾驶系统内激光雷达不可或缺。摄像头受环境光照影响大,距离测算依赖算法。毫米波雷达角分辨能力很差,对金属的探测灵敏度远高于非金属材料,导致其在人、车混杂的场景下对行人的探测效果不佳。超声波雷达测距短,主要用于倒车雷达。激光雷达兼具测距远、角度分辨率优、受环境光照影响小的特点,且无需深度学习算法,可显著提升自动驾驶系统可靠性,被众多车厂、Tier1认为是L3及以上自动驾驶必备的传感器。激光雷达单车搭载量将随自动驾驶等级上升,Yole预计L3等级汽车至少需要1台激光雷达,L4和L5则分别需要2台和4台;麦肯锡预计L3等级汽车需要2台(长距)激光雷达,L4/L5等级需要8台激光雷达(4台长距,4台短距);Frost&Sullivan预计L3等级需要1台激光雷达,L4等级需要2/4台,L5等级需要4台。

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车载激光雷达性能评价包括显性参数与隐性指标。显性参数指列示在产品参数表中的信息,主要包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围、测距精准度、功耗、集成度(体积及重量)等。隐性指标包含激光雷达产品的可靠性、安全性、使用寿命、成本控制、可量产性等,这些指标更加难以量化,也缺乏公开信息,只能通过产品是否应用于行业领先企业的测试车队或量产项目中得以体现。

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二、技术路线多元化发展,集成化为演进核心思路

激光雷达核心构成包括激光器、扫描系统(光束操纵元件)、传输与接收光学系统、光电探测器及信号处理系统。其中扫描系统、激光器和光电探测器均存在不同技术路线,进而导致激光雷达整机技术路线繁多。

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扫描系统趋势:半固态式为当前乘用车搭载首选,固态式为最终发展方向

从扫描系统角度,激光雷达主要可以分为机械式、半固态式和固态式三大类。

机械式技术发展最为成熟,乘用车搭载面临成本及车规挑战。机械式激光雷达通过电机带动光机结构整体360度旋转,是激光雷达最经典且发展最为成熟的机械架构,其技术发展的创新点体现在系统通道数目的增加、测距范围的拓展、空间角度分辨率的提高、系统集成度与可靠性的提升等方面。机械式的优势在于水平方向上的扫描视野(HFOV)可以达到360度,并且视场范围内测距能力的均匀性好;缺陷在于价格昂贵(N线机械式需要N组收发模组,对应的人工调试成本也将大幅上升)、体积较大(通常安置于车顶)且机械部件寿命较短,因此难以通过车规,主要于RoboTaxi/RoboTruck场景上应用。

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半固态式技术逐步成熟,预期为近几年乘用车落地应用主流方案。半固态式指收发模块静止、仅扫描器发生机械运动,可分为转镜和MEMS振镜两大类。目前技术发展逐步成熟,且体积大幅缩小,成本得到控制,预计是固态式激光雷达实现规模量产前的主流应用方案。

半固态-转镜式为车规进展最快的激光雷达,内部仍存在细分技术路线。2018年Ibeo与法雷奥合作开发的转镜式激光雷达SCALA便是第一款通过车规认证并在量产车型(Audi A8)上使用的激光雷达。该结构内部仍存在一个转动的扫描镜,法雷奥第三代SCALA已转向使用MEMS方案。转镜式内部仍存在众多细分技术路线,例如大疆Livox采用双楔形旋转棱镜结构,图达通(Innovusion)则使用了振镜+多边形旋转棱镜结构,不同的技术路线也将带来差别化的技术特征。

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半固态-MEMS有利于体积及成本控制,微振镜是系统核心。MEMS方案采用高速振动的微振镜代替传统的机械旋转装置,激光发射器和接收器数量最低仅需一组,从而有利于激光雷达小型化与成本降低。MEMS方案未来的技术改进点在于开发口径更大、频率更高、可靠性更好的微振镜,以适用于激光雷达的技术方案。MEMS方案缺陷为车载环境下的振动和冲击会影响微振镜的使用寿命,且微振镜的振动幅度小,扫描视野受到限制。

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固态式激光雷达为车载激光雷达终极方向,主要包括OPA和Flash两大类,核心是取消机械运动部件,并以集成芯片化结构替代传统机械式激光雷达发射端和接收端的分立器件。

OPA为固态式扫描方案,芯片化应用潜力十足。OPA (Optical Phase Array)即光学相控阵技术,通过施加电压调节每个相控单元的相位关系,利用相干原理,实现发射光束的偏转,从而完成系统对空间一定范围的扫描测量。OPA实现方式大体上可以分为两类,一类是波导类OPA,比如硅波导OPA和化合物波导OPA等;另一类的空间光调制,比如最早的液晶空间光、化合物单元阵列、还有新兴的超材料空间光调制等。硅波导可大规模集成,且硅基芯片的制作工艺与CMOS工艺兼容,因此制作成本低,可将激光雷达的成本降到几百美元。OPA在大规模应用前仍有许多技术问题需要克服,宝马曾与OPA厂商QUANEGRY达成合作,后因效果不理想转向使用Innoviz的MEMS方案。

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Flash为固态式非扫描成像,体积紧凑,主要缺陷为探测距离。与其他激光雷达扫描场景的方式不同,Flash激光雷达类似照相机的工作模式,工作时激光脉冲经过光束扩散器形成宽发散激光束照亮整个视野,无运动扫描部件,信号接收端包含一维或二维传感器阵列,每个像素收集3D信息。得益于紧凑型激光器阵列、探测器阵列的发展,Flash激光雷达逐步小型化,同时成本得到控制,Ouster表示其Flash激光雷达单价低于200美元。目前车载Flash激光雷达的主要缺陷在于探测距离较短(数十米),因此多用于短距或者盲区探测。

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激光器技术趋势:EEL和905nm为当前主流选择,平面化及1550nm有望成为趋势

车载激光雷达激光器技术路线包含EEL(边发射激光器)、VCSEL(垂直腔面发射器)和光纤激光器。按照增益介质的不同,激光器可以分为气体激光器、固态激光器、光纤激光器、半导体激光器(激光二极管)和液体激光器五大类。EEL与VCSEL均属于半导体激光器,光纤激光器主要用半导体激光器做泵浦源。

EEL功率密度高适合远距探测;VCSEL易于集成降本,功率密度提升是技术升级关键。EEL具有功率密度高的性能优势,但其发光面位于半导体晶圆的侧面,使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤,极其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。此外EEL只有切割晶圆后才能完全产生激光,在生产过程中无法进行测试。VCSEL的发光面与半导体晶圆平行,具有面上发光的特性,发射光束窄且圆,所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合,在精度层面由半导体加工设备保障,且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合,提升光束质量。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。

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根据艾迈斯欧司朗分析,结合激光雷达测距要求和扫描系统技术路线,通常情况下机械式激光雷达和半固态激光雷达的光源以EEL为主,而Flash激光雷达可选择VCSEL和EEL。

激光器的波长选择主要分为905nm和1550nm两种,905nm是目前主流选择。Yole统计的29项激光雷达设计大奖结果显示,905nm占比69%,1550nm占比14%。905nm光波一般使用半导体激光器产生,EEL和VCSEL(GaAS基底)均可,整体实施成本低,缺陷是容易损害视网膜,因此功率受限,进而影响到远距离探测效果。

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1550nm主要由光纤激光器提供,人眼安全性高,但成本高昂。EEL和VCSEL(InP基底)均可产生1550nm光波,但由于1550nm光波比905nm光波更容易受到大气中水滴的散射,因此常用更高功率的光纤激光器来克服散射以加强探测距离。1550nm方案的优势在于同样的光斑大小和脉宽条件下,对人眼更安全,功率限制小,可以通过加大功率来克服环境影响以提高探测范围,缺陷包括激光器和探测器(需用InGaAs制造)成本高昂,体积大,散射系统复杂。根据Innoviz上市路演报告,1550nm光纤激光器单位价格达到5,000美元,援引某中国供应商的数据显示百万台供货量时单位价格仍达1,000美元;而905nm EEL单位价格约为10美元,百万支供应量时单位价格为4美元。

探测器技术趋势:从APD到SPAD/SPPC与SiPM

探测器逐步采取高增益阵列结构加强远距探测能力。PD(光电二极管)成本低,是激光雷达探测器的常用选择,缺点是灵敏度低,仅适合短距离探测,对于远距离探测需要使用高增益的APD (雪崩二极管)。APD又分为线性工作模式和盖格工作模式,盖格工作模式增益最高,只输出1或0的电平信号,灵敏度很高,称为SPAD(单光子雪崩二极管)。SPAD可以单点独立运行,也可以组成阵列(为表区分,后文以SPPC代指SPAD阵列),SPPC中的各个SPAD独立工作。SiPM(Silicon Photomultiplier,另称MPPC)是另一种形式的SPAD阵列,由多个独立的SPAD传感器并联组成,输出的信号会有幅度级别的区分。安森美资料显示,目前激光雷达市场上,PD和APD的使用率存在不同程度的下降,而SPAD、SPPC和SiPM的使用率在持续提升。

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SPPC优势为分辨率,SiPM优势为帧速和信号提取速度。SPPC阵列下每个单元的信号独立输出,输出信号只有一个幅度,为减少噪声影响,需要根据空间和时间相关度确认是否为信号,因而抗噪能力相对较差。SiPM阵列的每一个输出端对应多个并联的单元,输出电流是所有并联单元的总和,因而输出的信号有幅度区分,可以通过设定阈值直接提取信号,提取简单速度快。若两种阵列达到同样的分辨率,SiPM阵列比SPPC阵列需要更多的SPAD单元,面积更大,所以相同面积下,SPPC阵列的分辨率显然要高于SiPM阵列。

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测距技术趋势:ToF为当前主流,FMCW潜力巨大,期待车规级量产

测距原理角度,ToF是目前车载激光雷达主流。车载激光雷达测距方法主要为ToF(飞行时间)、FMCW(调频连续波),能够实现室外阳光下较远的测程(>100m)。ToF原理是通过测量发射激光脉冲信号和反射信号的时间差来计算距离,在车载激光雷达上发展相当成熟,是多数厂商的选择。FMCW发射连续激光而非脉冲,其原理是将发射激光的光频进行线性调制,通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差,从而间接获得飞行时间反推目标物距。

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FMCW性能理论优势明显,车规量产尚待时日。FMCW能够解决ToF对背景辐射的抵抗力低,多用户干扰以及缺乏瞬时速度信息的缺点。FMCW的信噪比高于ToF,相同最大探测距离下所需激光的峰值功率约为ToF的1/10000,因此对人眼更加安全。当前市场 FMCW 激光雷达大多处于概念机的阶段,且根据Innoviz路演说明,FMCW需用1300nm-1550nm波长,虽然可以使用低成本的PD探测器,但需用InGaAs材料制作,再考虑到较ToF复杂的信号处理电路,接收系统整体成本较高;发射端低成本、大批量低相位噪声的激光器制造也是当下难题,目前Aeva、Mobileye等公司在研发FMCW激光雷达,Mobileye预计需要等到2025年以后才能量产。

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各核心组件技术路线存在一定组合趋势

激光雷达作为一项系统级的产品,尽管内部每一个核心元器件有多种路线,但并不意味着可以简单地排列组合,而是存在某些特定组合趋势。以最受关注的扫描系统为划分,我们预计技术路线组合发展趋势如下:

半固态+EEL+SPPC/SiPM是近期量产激光雷达主要方案,未来或将采用1550nm光纤激光器+FMCW的技术组合,但将取决于光纤激光器成本及体积控制进展、FMCW的技术进展,并考虑固态式激光雷达的替代进程。

半固态往固态式发展几乎已成行业共识,Flash+VCSEL+SPPC/SiPM与OPA+FMCW具有较大发展前景。Flash激光雷达方面,VCSEL阵列+SPPC/SiPM阵列的发展契合Flash需要,易阵列化有利于小型化、降低成本,通过选用高增益SPPC/SiPM探测器与增大VCSEL功率有望改善探测距离短的缺陷。大陆正开发以自研Flash激光雷达作副探测器加Aeye的MEMS+1550nm激光雷达作为主探测器的整体解决方案,雷克萨斯LS已经采取转镜(主)+Flash(副)的组合。因此综合考虑Flash较低的成本预期与产业动向,即使Flash测距较短,其落地确定性与上量可能性也获得增强。OPA方面,根据华为《智能汽车解决方案2030》,1550nm+FMCW适合OPA技术路线发展,同时从产业布局来看,目前更多的OPA企业选择了该项技术组合。

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三、自动驾驶渗透率提升,激光雷达市场处于爆发前夕

自动驾驶渗透加速,激光雷达降本、量产、前装上车进程已启动

奔驰搭载激光雷达的L3自动驾驶系统已在德国获得许可,其余车厂暂定L2+/L2++方案搭载激光雷达。2021年12月10日,德国联邦汽车运输管理局(KBA)根据技术批准条例UN-R157,允许奔驰L3级自动驾驶汽车上路。带有DRIVE PILOT的奔驰S级轿车或者奔驰电动旗舰轿车EQS,将在明年的德国高速公路上行驶,速度不高于60km/h,可解放双手但不允许睡觉,必要时人类接管车辆。其他大部分国家和地区的厂商,出于法规和安全性的考虑,定义搭载激光雷达的自动驾驶等级接近L3的车型为L2+/L2++,例如小鹏、华为。

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自动驾驶渗透率将持续提升,推动激光雷达需求增长。全球:根据Yole新车自动驾驶等级结构预测,2020年全球汽车产量中近50%为L0级,而L1-L2占比34%,L2+占比16%,L2++占比仅1%;此后高等级自动驾驶汽车占比将不断增长,到2035年预计L2+占比38%,L2++占比25%,L3-L4占比9%,L5占比1%。中国:根据高工智能产业研究院监测,国内市场自动驾驶渗透率快速提升,2018年乘用车新车中L1级别渗透率约14%,L2约5%,而2021年1-11月乘用车新车L2搭载率已逼近20%。预计中国市场比海外市场自动驾驶渗透率更快,到2025年,L3渗透率为20%,L4开始进入市场。 

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价格持续下探,半固态式跨越车规考验,激光雷达上车步伐加快。Velodyne最早推出的车载激光雷达售价高达数万美元(HDL-64售价约7.5万美元),Innoviz路演说明书预计激光雷达均价有望在2025年降至1000美元,2030年降至500美元,价格下沉将进一步推动激光雷达渗透率提升。同时,半固态式激光雷达符合车规具备上车条件,各车企为提升产品在智能化、安全性能上的竞争力,正加速激光雷达上车步伐,据不完全统计,目前小鹏P5、北汽新能源ARCFOX等超过20款车型已确定搭载激光雷达。

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激光雷达市场将迎来爆发,多家国产厂商势头强劲

全球乘用车领域激光雷达需求量有望快速增长,预计2028年中国市场占比30%。Strategy Analytic预测全球ADAS领域的激光雷达需求量将从2020年的4.8万台增长到2028年的970.7万台,2020-2028年CAGR达到94.2%,其中国内市场需求量占比将从2020年的2%增长至2028年的30%,位居全球第一。

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根据Frost&Sullivan预测,2025年全球车载激光雷达市场规模超过80亿美元。各整车厂正不断推出L2+、L2++、L3级ADAS量产车型,Frost&Sullivan预计2025年全球ADAS激光雷达市场规模达46.1亿美元,2019-2025年复合增长率为83.7%。全球无人驾驶测试项目及车队规模处于快速扩张之中:Waymo建立无人汽车制造工厂,改造购置车辆用于规模扩张;Amazon旗下Zoox位于加州弗里蒙特工厂的无人驾驶电动汽车年产能可达1万至1.5 万辆;图森未来计划在2024年底前把无人驾驶货运拓展到美国48个州的主要运输路线。据ReportLinker估计,2025年全球包括运送乘客货物在内的L4、L5无人驾驶车辆数目将达到53.5万辆。Frost&Sullivan预计2025年全球无人驾驶激光雷达市场规模达35亿美元,2019-2025年复合增长率为80.9%。

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根据Frost&Sullivan预测,2025年中国车载激光雷达市场规模超过20亿美元。从无人驾驶领域来看,国内企业如百度、滴滴、小马智行、文远知行等已在多个城市开展无人驾驶出租车业务的试运营,预计商业化应用后对激光雷达的需求将进一步增长。从ADAS领域来看,中国是全球最大的新车销售市场,2020年11月发布的《智能网联汽车技术路线图(2.0版)》明确指出到2030年我国L2和L3级渗透率要超过70%,这将对激光雷达产生巨大的需求。Frost&Sullivan预计2025年中国激光雷达市场规模将达到43.1亿美元,较2019年实现63.1%的年均复合增长率,其中ADAS与无人驾驶领域的激光雷达合计市场规模超过20亿美元。

保守预计2025年中国ADAS领域激光雷达市场规模为19亿美元,乐观估计可达45亿美元。国内自动驾驶及细分激光雷达市场热度高涨,已有多家车厂推出单车激光雷达搭载量超过1台的车型,可以合理预期国内ADAS领域的激光雷达市场发展速度有望超过早先预期。当然也不能忽视目前搭载激光雷达的车型普遍为高端车型,车厂的持续投入意愿及市场接受度仍需持续关注。因此我们对国内激光雷达市场规模做出保守和乐观两种测算,以供参考。

核心假设如下:1)参考工信部《智能网联汽车技术路线图(2.0版)》对我国自动驾驶渗透率发展指引,2025年L2和L3超过50%;2030年L2和L3超过70%,L4达到20%。2)预计国内新车年产量从2025年的2500万辆增至2030年的3000万辆;3)预计激光雷达平均价格从2025年的1000美元降至2030年的500美元;4)L3及以上汽车搭载激光雷达,将市场上搭载激光雷达标榜为L2+、L2++的车型归入L3范畴,L5暂未进入市场。

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车载激光雷达厂商份额占比低且无明显差距,国内头部厂商呈上升趋势。根据Yole的激光雷达总体市场份额数据,2018-2020年期间全球激光雷达市场份额主要集中于测绘(Trimble,Hexagon AB,Topcon)、工业(Sick AG)等传统领域的激光雷达厂商手中,大部分车载激光雷达厂商份额较低,之间无明显差距,其中Velodyne和Waymo呈逐年下降趋势,Valeo和国内厂商禾赛科技、速腾聚创逐步上升,而Aeye,Aeva,Luminar,Innoviz等厂商市占率较低,归入其他类别。

市场群雄逐鹿,技术布局、车规量产、商业化合作进展决定是否能够突破重围。总体来看,目前车载激光雷达市场仍处于发展初期,不断有新厂商崭露头角。据不完全统计,全球已有超过70家激光雷达厂商,未来市场将在激烈竞争中大浪淘沙,商用车应用将成为激光雷达厂商试金石,决定未来市场地位的关键在于技术布局、车规量产能力、商业化合作进展,目前国内厂商华为、禾赛科技、速腾聚创具有领先优势。

技术终局方案仍未显现,短中期半固态技术推动商业落地实现,固态技术储备决定未来竞争实力。从目前已发布/量产的车型搭载的激光雷达技术方案来看,半固态式占据主流,具有半固态式产品的厂商在短中期更容易获取量产应用机会,而固态式作为激光雷达的发展方向,相应的技术布局将影响厂商未来的产品竞争力。市场中华为、禾赛科技、速腾聚创技术布局较为全面,已有半固态式产品,同时加紧研发固态式方案;传统Tier1如Valeo、大陆、ZF等技术布局各有侧重;Mobileye/Intel、Aurora、Cruise等科技公司则直接押注前沿技术领域。

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软硬件系统整合将成为激光雷达厂商技术核心竞争力。随着未来技术路线定型,激光雷达硬件会逐步趋向标准化,能提供软硬件结合的系统解决方案的激光雷达能满足客户多元化需求,有望在市场中占据主动。目前Velodyne基于其Velarray传感器开发ADAS解决方案Vella Famliy,并预计在2024年Vella Family将成为占比最高的营收来源,且软件部分占公司总营收比例超过20%;Luminar提供专有软件解锁其激光雷达全部功能,并可通过OTA进行升级,预计2025年软件营收超过4成;速腾聚创推出专为自动驾驶环境感知开发的AI软件RS-LiDAR-Perception以及面向自动驾驶、无人物流等多项场景的激光雷达解决方案。

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高车规要求和价格敏感度的特点将筛选供应商。车企要求激光雷达通过电磁兼容、可靠性(包括振动及冲击、防水防尘)等一系列严格的车规测试。由于面向消费者的乘用车采购激光雷达数量大,该领域客户对激光雷达的价格敏感度相较于无人驾驶领域也更高。在技术路线以外,激光雷达价格与供应量负相关,Velodyne曾披露其64线激光雷达的成本高昂原因之一便是人工调试复杂,生产周期以周来计算导致产能低。根据汽车之心报道,国内激光雷达厂商锐驰智光估计其转镜式激光雷达LakiBeam 128在万台量级时价格为743美元,到百万台量级时可降至289美元。目前多家激光雷达供应商正以代工、自建产线等方式提高其规模化量产能力,进而建立成本竞争优势。

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与车企合作紧密的厂商获取先发优势的同时将通过持续工程迭代构建商业、技术壁垒。考虑到汽车市场本身具备产品认证周期长的特点,且搭载激光雷达的车型需要定制装配设计方案、传感器融合算法等方案,因此当下和车企合作密切并有商业化落地项目的厂商有望对竞争对手建立进入壁垒,与车企客户建立粘性。同时可以预见与车企的深度合作也将反哺激光雷达厂商在技术、量产交付能力上进行迭代提升。

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四、激光雷达渗透加速,上游核心元器件有望优先受益

激光雷达产业的上游主要包括激光器、光学部件、光电探测器和信号处理电路(前端处理:放大器、ADC、TDC等,主控单元:SoC、FPGA)。元器件影响激光雷达产品技术性能与成本控制。产业中游为激光雷达整机厂商,主要负责整合与算法。产业下游主要包括ADAS、无人驾驶、车联网和服务机器人四大应用领域。

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上游元器件战略意义突出,激光雷达厂商加强垂直整合。上游元器件对整机性能与成本控制有着重要影响,掌控元器件意义重大。一方面,陆续有元器件厂商依靠在相关领域的传统技术积累以及投资并购以进入激光雷达市场。另一方面,多家激光雷达头部厂商开启上游元器件技术布局,以加强核心技术积累、成本及体积控制、产品差异化设计与供应保障能力。

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激光器和光学组件是当前规模应用的机械及半固态激光雷达BOM核心

三款经典激光雷达BOM拆解,激光器件与光学组件BOM合计占比40%以上。根据汽车之心报道,Velodyne VLP-16激光雷达零售价约为3800美元,BOM成本大约1000美元。该16线机械式激光雷达拥有16个905nm激光发射器,单价约20-25美元,可以得到VLP-16中激光器成本约占32%-40%。此外光学镜头、滤光片和保护罩等一系列光学器件也需要100美元以上,即占比超过10%。根据Systemplus Consulting数据,4线转镜式激光雷达SCALA(4路905nm激光)的激光源BOM占比23%,转镜机械单元BOM占比13%;双楔形旋转棱镜激光雷达Livox的激光源BOM占比7%,光学组件BOM占比54%。因此,尽管激光雷达的BOM构成会随着技术细节产生差异,但可以确定激光源和光学组件是机械式和半固态式激光雷达BOM的核心组成。

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车载激光雷达激光器市场规模将快速增长,半固态占主流背景下EEL市场空间最广阔

激光雷达为EEL增速最快的细分市场之一,预计2026年市场规模超过4亿美元。根据Yole数据,EEL整体市场规模在2020年为28.74亿美元,预计2026年达到66.13亿美元,2020-2026年CAGR为15%。从市场构成来看,光通信领域是EEL主要应用市场,2020年占比60%,未来仍将保持15%的高复合增速。EEL增长最快的领域包括传感、医疗和照明,预计2026年市场规模达到7.78亿美元,CAGR为25%。EEL在传感领域的增长将主要由激光雷达市场驱动,预计到2026年出货量接近1亿,市场规模将超过4亿美元,2020-2026年市场规模CAGR约为72%。

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未来5年VCSEL在激光雷达和DMS组成的领域CAGR达到121.9%,预计2026年市场规模5700万美元。根据Yole数据,VCSEL整体市场规模在2021年为12亿美元,预计2026年达到24亿美元,2021-2026年CAGR为13.6%。从市场构成来看,消费电子领域是VCSEL主要应用市场,2021年占比66%,未来仍将保持16.4%的高复合增速。2021年VCSEL在自动驾驶领域(含激光雷达和驾驶员监控)市场规模仅为110万美元,预计到2026年将以121.9%的高复合增长率增长至5700万美元。

VCSEL海外头部厂商优势主要于消费电子领域建立,车载市场萌芽为国内厂商带来发展机遇。根据Yole数据,2019年VCSEL市场海外厂商占据份额超过92%,国内厂商纵慧芯光(Vertilite)市场份额2%。由于VCSEL市场主要集中于消费电子领域,因此作为苹果 VCSEL主要供应商的Lumentum份额领先优势明显,Yole报道2020年Lumentum在VCSEL消费电子市场份额68%,ams和Trumpf紧随其后,分别占据15%和7%的市场份额。目前VCSEL的车载市场仍处于萌芽阶段,国际厂商尚未构建市场格局,国内纵慧芯光、炬光科技等厂商已布局激光雷达市场,有望迎来发展机遇。

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光学器件为激光雷达必需品,光束操纵件高价值量,常规件走量应用

光学器件是激光雷达必需品,也需要满足车规对耐高温和抗振动等方面的要求,可分为光束操纵件和常规件两类。

光束操纵件定制化需求多,价值量较高;常规件价值量偏低,走量应用。光束操纵件主要见于发射端,价值量较高,例如扫描转镜/棱镜、MEMS振镜、光束扩散器等,在不同技术路线中应用,也往往随技术细节的不同而有定制化需求。常规件主要见于接收端,如透镜、滤光片等,价值量偏低,但几乎是每种技术路线的标配,用量与激光雷达总体出货量成倍数关系,其中窄带滤光片在特定的波段允许光信号通过,用于降低其他波段光线的干扰,根据ICVTank数据,平均售价约为2-3元。

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国内光学元件供应厂商众多,可提供一体化解决方案的平台型企业有望获得竞争优势。常规件技术门槛较低,目前具备供应能力的上游企业较多,国内已有多家公司表示已与激光雷达厂商建立合作关系或已经开始供货,产品包括透镜、外罩等。国内也有部分公司向满足激光雷达厂商定制化需求方面发展,例如天孚通信在车载雷达方面已与客户达成定制化合作方式,炬光科技为智能驾驶激光雷达发射模组或系统专门设计透镜、光束扩散器等。预计未来具有较强研发和量产能力,且可提供一体化解决方案的平台型企业有望获得竞争优势。

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光电探测器与信号处理电路重要性日益突出,固态式发展将进一步加强趋势

激光接收端技术难度大,芯片集成化的趋势也将使探测器和信号处理电路的重要性日益凸显。同时,随着未来固态式激光雷达技术成熟,将去除机械式、半固态式中价值量较高的光束操纵件如MEMS振镜,光电探测器与信号处理电路的价值量占比将进一步上升。

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光电探测器与信号处理电路技术门槛高,主要由海外厂商掌控。

光电探测器方面,SPAD/SPPC、SiPM的技术壁垒和价值量均较高,滨松电子、安森美技术积累丰富,产品品类及解决方案较为齐全,此外日本一众具有CMOS制造经验的厂家都有制造SPAD/SPPC的能力,例如松下、佳能、索尼。佐思汽研报道索尼的激光雷达SPPC IMX459将于2022年3月量产,样品价格约880元人民币,正式产品价格估计为200-400元人民币。国内灵明光子、南京芯视界、阜时科技有SPAD/SiPM传感器布局。

信号前端处理器包括放大器、ADC、TDC等,厂商包括ADI、TI等,部分激光雷达厂商选择自研ASIC替代,例如禾赛科技和Luminar。主控芯片主要为SoC和FPGA,SoC厂商包括LeddarTech (瑞萨投资)。FPGA市场主要由Intel和Xilinx占据。考虑到潜在的OTA升级需求,通用性芯片应该是后期各厂商的主流选择。

本文编选自“中信建投证券研究”微信公众号,作者:刘双锋,智通财经编辑:陈筱亦

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