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车载激光雷达专题研究:进入从1到10新阶段,国内供应商提前卡位

(报告出品方/作者:中航证券,刘牧野)

核心观点:

从1到10新阶段,激光雷达开始规模上车:激光雷达被大多数整车厂、Tier 1 认为是L3 级及以上自动驾驶必备的传感器,可显著提升自动驾驶系统的 可靠性。目前搭载激光雷达的小鹏P5、极狐阿尔法S全新HI版等车型已正式交付,威马M7、智己L7、小鹏G9、哪吒S、阿维塔11等搭载激光雷达的车 型,也将在今年上市交付。 可以说,2022年是激光雷达应用到车型的量产年。现阶段以高端车型搭载为主:我们认为,自动驾驶的发展速度最终取决于能否解放驾驶员双手,既达到L4级别。在算力、基础设施、网络速度等综合 技术能够支撑L4的应用之前,激光雷达渗透率提升的主要动力来源于车企的搭载意愿,整个自动驾驶产业难言爆发。由于激光雷达的成本较高,搭载 的车型还将继续以高端车型为主。测算2022年车载激光雷达全球市场约44亿元,至2027年达到633亿元,年复合增长率70%。

一、自动驾驶爬坡,激光雷达进入从1到10新阶段

自动驾驶分类

美国汽车工程师学会 (SAE) 定义了6个无人驾驶等级 — 从 0 级(完全手动)到 5 级(完全自动)。这些无人驾驶等级准则已 经被美国交通部采纳。现阶段以0-2级自动驾驶车辆为主。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。

激光雷达是高阶自动驾驶必备传感器

当前L2 级自动驾驶感知系统主要由超声波雷达、毫米波雷达、摄像头等车载传感器组成。车载超声波雷达成本低,但有效探测距离通常小于5 m,无法对中远距离物体进行测量。毫米波雷达具有同时测距和测速的功能,有效探测距离可达200 m,然而单颗车载毫米波雷达的角度分辨能力通常较弱。摄像头具有优异的角度分辨率,然而其受光照影响大,黑夜和强光下的探测效果不佳,此外摄像头对物体及其距离的识别依赖 深度学习算法,无法做到完全准确。

L4级别自动驾驶催化消费意愿,CAGR预计70%

我们认为,自动驾驶的发展速度最终取决于能否解放驾驶员双手,既达到L4级别。在算力、基础设施、网络速度等综合技术能 够支撑L4的应用之前,即使有政策支持和车企的激进尝试,整个自动驾驶产业难言爆发。因此在L4之前的阶段,激光雷达渗透 率的主要动力来源于车企的搭载意愿。由于激光雷达的成本较高,搭载的车型还将继续以高端车型为主。综合麦肯锡咨询、IHS的预测,以及2022年搭载激光雷达的车型,假设2022年全球自动驾驶L3级别汽车渗透率0.4%,至2027 年L3渗透7%,L4渗透率1%,测算2022年激光雷达全球市场约44亿元,至2027年达到633亿元,年复合增长率70%。

二、技术方案多样,收发模块成降本关键

激光雷达结构

激光雷达,也称光学雷达(Light Detection And Ranging)是激光探测与测距系统的简称, 它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传 播距离,分析目标物体表面的反射能量大小、 反射波谱的幅度、频率和相位等信息,从而呈 现出目标物精确的三维结构信息。激光雷达主要由光发射、光扫描、光接收三大模块组成。光发射模 块集成了驱动、开关和光源等芯片。光接收模块集成了SPAD传感 器、ADC、TIA、TDC芯片等。

技术架构多样

按照测距原理,激光雷达可以分为ToF和FMCW,其中ToF路线是大多数厂商采用的主流技术方案。 根据系统集成度的不同,主流方向的TOF激光雷达的激光发射系统可分为EEL与VCSEL,接收系统可分为APD与SPAD;根据 光源波长的不同,激光收发系统则主要分为905与1550两个大类;按照扫描技术架构,可以分为整体旋转的机械式激光雷达、 收发模块静止的半固态激光雷达以及固态式激光雷达。

核心技术壁垒——收发模块

激光雷达的性能指标,主要取决于收发模块;可 靠性主要由扫描模块决定;成本由两者共同决定。扫描模块的本质是机械,由它带来的可靠性问题 需要通过工程方式来解决,主要靠时间。相比之 下,收发模块的壁垒,则是电子技术的演进,是 技术壁垒+工程壁垒,其中的技术创新和研发能 力非常重要。在选择可靠稳定的扫描模块基础上, 不断优化收发模块,将是一款优秀激光雷达的必 经之路。

降本关键——收发芯片集成化

收发芯片是激光雷达的主要成本构成。收发模块包 括各种光学镜头、激光器、探测器、激光器驱动、 模拟前端等。收发模块的降本,主要通过激光器、 探测器、激光器、激光驱动、模拟前端等电子部件 的芯片化来实现。发射芯片降本:将数十个光学通道在集成光学芯片 上一次制作完成,用集成式模组替代需要逐一通道 进行调试的分立式模组,可大幅度降低了物料成本 和调试成本,降本幅度达到 70% 以上,并同时提 高产品的稳定性、可靠性、一致性。

三、静待产业标准化,国内上下游加速发展

高脉冲速度和高功率激光是车载LiDAR必要条件

激光驱动电路作为半导体二极管泵浦,用来驱 动半导体二极发出指定的激光,这个生成的激 光,进一步激发激光器光路上的激光,增加激 光器光路上激光的强度,改变激光器光路上激 光的频率等功能。高频脉冲提高分辨率。激光的速度对制成具极 高分辨率的图像非常重要,而极高分辨率的图 像是安全的全自动驾驶运输所必需的。因此, 需要短至几纳秒甚至更短时间的脉冲来实现必 要的距离分辨率。脉冲通常由激光二极管产生。

发射器:驱动IC壁垒高,国内尚无成熟供应商

在传统的LiDAR系统中,通常会找到一个硅驱动器IC,该 驱动器可驱动GaN FET,然后将电流泵入LiDAR激光系统。 但是硅驱动器限制了整个电路的速度。氮化镓(GaN)器件的电子迁移率是硅器件的数百倍, 其能隙为3.4eV。与同类的硅产品相比,GaN MOSFET 具有更低的传导损耗、更高的开关速度、更好的热性能, 以及更小的尺寸和成本。EPC、德州仪器等公司将GaN驱动器和GaN FET集成到 单个IC上,从而消除了互连电感,并消除了传统LiDAR电 路的速率限制方面。德州仪器的TIDA-01573驱动,能够 产生频率1.5纳秒以下、功率100W以上的高频高功率激 光。国内尚无成熟的激光驱动供应商。

探测器:APD较成熟,SPAD和SiPM是未来方向

APD 是ToF类激光雷达目前主要使用的较为成熟的探测技术。SPAD可实现低激光功率下的远距离探测能力,但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。但存在串扰、较大的暗电流,恢复时间与温度有关,雪崩电压、增益与温度有关。SiPM和SPAD可探测距离超过200m、5%的低反射率目标,在明亮的阳光下也能工作,分辨率极佳,且尽可能小的光圈和固 态设计实现紧凑的系统集成到汽车中,并极具成本优势,正成为新兴的LiDAR探测器。

LiDAR制造:行业未显规模,国外公司业绩承压

随着国外激光雷达制造商陆续上市,行 业投资趋于理性,还没有公司业绩呈现 爆发式增长,行业盈利能力承压。我们 认为,激光雷达行业还处于技术逐渐成 熟的阶段,需求端短期内不会迎来放量。 受制于技术和市场的瓶颈,加上大量的 研发投入,激光雷达制造商的盈利能力 较弱。资本已经进行过一轮制造商的投 资,当前时点,激光雷达制造商的技术 进步对估值提升的边际作用较弱,市场 关注重点在于公司盈利能力的改善。

四、硅光集成或为远期目标,关注集成材料和器件

硅光集成芯片逐渐成熟,激光雷达应用待突破

激光雷达中短期的壁垒在光学技术,从长期看,性能的提升及成本的降低都仰赖于半导体及光子集成技术的发展。当行 业内确定了激光雷达收发标准化方案后,光子集成工艺可以帮助激光雷达整体实现小型化、低成本化,最终形成与车载 摄像头相似的镜头、芯片模块化生产组装工序。目前ADC、DSP等微电子器件发展成熟,芯片兼容性强,前端光学方案 的变化对微电子器件芯片设计框架影响较小,因此可率先通过CMOS工艺实现成本及体积的降低。然而激光雷达整体体 积及成本的降低仍需光子集成工艺对各光电器件进行集成。

异质集成是当前主流硅光方案

硅光芯片中的光器件分为有源器件和无源器件,有源器件包括激光器、调制器和光电探测器;无源器件包括平面波导、光 栅或边缘耦合器等。基于这些元器件,可以构成光发射 / 接收芯片,并开展阵列化的应用,最终通过光子集成技术 (Photonic IntegratedCircuit, PIC)来实现硅光芯片。

报告节选:

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精选报告来源:【未来智库】系统发生错误

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