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激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈有哪些投資價(jià)值?

激光制造網(wǎng) 來源:激光行業(yè)觀察2022-09-29 我要評論(0 )   

激光雷達(dá)是一種利用激光來實(shí)現(xiàn)精確測距的傳感器,在廣義上可以認(rèn)為是帶有3D深度信息的攝像頭,被譽(yù)為“機(jī)器人的眼睛”。激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)自誕生以來,緊跟底層器件的前沿發(fā)...

激光雷達(dá)是一種利用激光來實(shí)現(xiàn)精確測距的傳感器,在廣義上可以認(rèn)為是帶有3D深度信息的攝像頭,被譽(yù)為“機(jī)器人的眼睛”。

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)自誕生以來,緊跟底層器件的前沿發(fā)展,呈現(xiàn)出了技術(shù)水平高的突出特點(diǎn)。
從激光器發(fā)明之初的單點(diǎn)激光雷達(dá)到后來的單線掃描激光雷達(dá),以及在無人駕駛技術(shù)中獲得廣泛認(rèn)可的多線掃描激光雷達(dá),再到技術(shù)方案不斷創(chuàng)新的固態(tài)式激光雷達(dá)、FMCW激光雷達(dá),以及近年來朝向芯片化、陣列化持續(xù)發(fā)展,激光雷達(dá)一直以來都是新興技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的代表。
中信證券丁奇、楊澤原在其9月27日發(fā)布的《從拆解五款激光雷達(dá)看智能駕駛投資機(jī)遇》報(bào)告中分析了激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈的投資價(jià)值,包括整機(jī)、發(fā)射芯片、接收端、校準(zhǔn)端、TEC和掃描端。

一、激光雷達(dá)整機(jī)的投資價(jià)值


雖然當(dāng)前入局廠商眾多,但中信證券認(rèn)為行業(yè)門檻較高, 最終會有較高的集中度和毛利率,CR5集中度預(yù)計(jì)會超85%,毛利率預(yù)計(jì)35%+, 門檻體現(xiàn)在三個(gè)方面:

1)車規(guī)壁壘:激光雷達(dá)是一款“機(jī)械+光學(xué)+電子”產(chǎn)品,車規(guī)難度高,上車周期長。廠商的第一款車規(guī)級激光雷達(dá),總歷時(shí)可能接近四年半到五年時(shí)間。此外,根據(jù)我們的了解,車廠的DV測試周期三個(gè)月到半年不等,一般需要至少兩輪DV才能滿足認(rèn)證要求。
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2)算法壁壘:由于激光雷達(dá)光學(xué)路徑設(shè)計(jì)非標(biāo),使得算法和整機(jī)必須是耦合的關(guān)系,而不是像攝像頭模組一樣軟硬件解耦,從而有更高的毛利率。激光雷達(dá)算法包含四個(gè)方面:
(1)光源生成:由 FPGA、 Laser Driver 及相關(guān)算法生成,同時(shí)由 FPGA 形成抗干擾編碼等;(2)光源掃描:電機(jī)、MEMS 等相關(guān)部件的掃描算法、ROI 區(qū)域形成由 DSP 等器件來完成;(3)光源接收:信號檢測、放大、噪聲濾除、近距離增強(qiáng)由 DSP 算法完成;(4)信號處理:點(diǎn)云生成、狀態(tài)數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)等。
3)芯片壁壘:頭部激光雷達(dá)公司正在將TIA、ADC、 FPGA、DSP集成到一個(gè)SOC里,降本增效的同時(shí)提升行業(yè)門檻。

二、激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈的投資價(jià)值


1.發(fā)射端:國產(chǎn)激光芯片從VCSEL開始突破,快慢軸準(zhǔn)直有較高壁壘
在激光雷達(dá)中,發(fā)射端是價(jià)值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。
中信證券表示:

在發(fā)射端中,隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線調(diào)整,905nm VCSEL激光芯片等產(chǎn)品有望在市場實(shí)現(xiàn)突破。此外,1550nm光源也具備獨(dú)特優(yōu)勢,與主流的905nm形成錯(cuò)位競爭,未來隨著FMCW測距路線的逐步發(fā)展,預(yù)計(jì)其份額還有進(jìn)一步增長的空間。

2.光源:905nm走向VCSEL大勢所趨,1550nm實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位競爭
發(fā)射端的“心臟”就是光源。目前,決定光源技術(shù)路線的主要可以歸納為發(fā)光波長、激光器結(jié)構(gòu)兩大指標(biāo)。按照波長劃分,最主流的是905nm波長和1550nm波長。按照結(jié)構(gòu)來劃分則主要分為EEL(邊發(fā)射激光器)、VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器),以及1550nm使用的光纖激光器。
光源的選擇制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、人眼安全四大要素。光源選擇完之后,需要解決光源校準(zhǔn)、溫漂、無熱化三大問題,以下中信證券整理的不同技術(shù)路線的優(yōu)劣勢與特點(diǎn),以及對應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的壁壘和價(jià)值:

1、為什么激光雷達(dá)會選擇在905nm和1550nm發(fā)光?
這與現(xiàn)存的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度有關(guān)。1550nm光纖激光器是光通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的光源之一,而905則與消費(fèi)電子共用產(chǎn)業(yè)鏈(手機(jī)上的3D ToF傳感器通常使用940nm光源,與905基本屬于同種半導(dǎo)體激光器,可以共用 GaAs 材料體系),所以都有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。
2、選擇905nm還是1550nm?
受到人眼限制,1550nm 路線的探測距離優(yōu)勢明顯,而受到材料限制, 905nm路線的成本優(yōu)勢也同樣明顯,因此二者構(gòu)成錯(cuò)位競爭。預(yù)計(jì)1550nm激光雷達(dá)將主要要用于以安全性為核心賣點(diǎn)的車輛(如沃爾沃等)、價(jià)位和品牌定位較為高檔的車輛(如蔚來、奔馳、上汽飛凡R等)、重卡(剎車距離較長,奔馳重卡采用 1550nm 激光雷達(dá)) 等特殊定位的車輛。其余車輛受限于成本,則更適合采用905nm激光雷達(dá)。1550nm激光的高功率特性在一定程度上縮小了與905的成本差距。
3、905nm EEL,歐司朗一家獨(dú)大局面暫難改變
905nm 路線又分為 EEL 和 VCSEL,目前全球和國內(nèi)的 905nm EEL 的光芯片基本采用了歐司朗的光芯片。除了有先發(fā)優(yōu)勢外,另一大原因就是歐司朗后來在低溫漂EEL 上通過專利構(gòu)筑了自己的優(yōu)勢,而溫漂是激光雷達(dá)的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
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4、低成本,VCSEL取代EEL大勢所趨
VCSEL取代EEL的首要原因是成本,按照Yole的統(tǒng)計(jì),EEL的后道處理工序成本比VCSEL高了一倍以上。如果再考慮給EEL增加DBR, 就需要在EEL側(cè)面沉積多層晶體,成本會進(jìn)一步提高。
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VCSEL取代EEL的第二大原因是因?yàn)檫^去VCSEL發(fā)光功率低的問題已經(jīng)被新的 “多結(jié)”工藝所解決。
此前由于VCSEL發(fā)展較晚,而且更多用于消費(fèi)電子,對大功率沒有需求,所以此前的VCSEL大多都是單層結(jié)的,功率較小。此隨著近年來VCSEL結(jié)數(shù)的不斷增加,最后一塊短板已經(jīng)被補(bǔ)齊,在激光雷達(dá)領(lǐng)域替代 EEL已經(jīng)完全可行。

3.接收端:905nm走向SiPM,1550nm 使用APD,PDE與可靠性是關(guān)鍵
目前激光雷達(dá)所用的接收端主要分APD、SPAD/SiPM 兩大路線,這兩種路線其實(shí)同根同源,都是利用二極管的雪崩擊穿效應(yīng)。
PD、APD、SPAD本質(zhì)相同,只是工作于不同的反向電壓下,導(dǎo)致1個(gè)光子能夠激發(fā)出的電子數(shù)量不同,探測靈敏度也就隨之產(chǎn)生了極大的差距:

APD:低成本高可靠仍有價(jià)值,1550路線需使用APD
目前APD與SiPM相比靈敏度上存在較大差距,因此在較新的追求探測距離的905路線激光雷達(dá)上已經(jīng)出現(xiàn)了被替代的趨勢。但APD受自然光和環(huán)境溫度干擾程度更輕, 在強(qiáng)烈陽光等場景下也具有其價(jià)值。
目前在1550nm APD領(lǐng)域,我國已有企業(yè)布局,例如芯思杰為鐳神智能開發(fā)陣列SPAD,也正在和國內(nèi)其余頭部激光雷達(dá)在合作。
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SPAD/ SiPM:905nm路線替代APD已成大勢,關(guān)注PDE與可靠性
SPAD/SiPM路線面臨的一個(gè)比較明顯的問題是自然光干擾,尤其是強(qiáng)烈日光的干擾。由于日光是連續(xù)譜,幾乎涵蓋了所有激光雷達(dá)的工作波長,所以僅靠濾光片是無法完全濾除陽光的,強(qiáng)烈的陽光入射會導(dǎo)致SiPM中多個(gè)SPAD單元飽和,并且在恢復(fù)初始狀態(tài)前都無法吸收光子,因而有可能漏掉真正的反射信號。
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4.掃描端:轉(zhuǎn)鏡的核心壁壘在時(shí)序控制算法,MEMS 振鏡有較高難度
中信證券表示,目前市面上主流的長距離激光雷達(dá)掃描方式為轉(zhuǎn)鏡類和MEMS類,預(yù)計(jì)在短期內(nèi)這一局面仍將持續(xù)。
轉(zhuǎn)鏡:簡單可靠,目前最容易通過車廠認(rèn)證的路線
中信證券表示,通常轉(zhuǎn)鏡只需保證勻速旋轉(zhuǎn)即可,無需變速或其他特殊控制,整體難度不高。

與單獨(dú)的轉(zhuǎn)鏡方案不同,轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案靈活度較高,能夠支持ROI設(shè)計(jì)(密集掃描重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,其他區(qū)域保持常規(guī)掃描頻率)。圖達(dá)通的falcon激光雷達(dá)采用的就是轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案,轉(zhuǎn)鏡負(fù)責(zé)水平掃描,振鏡負(fù)責(zé)垂直掃描。
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另外一種是轉(zhuǎn)鏡與線光斑的組合。線光斑路線的優(yōu)勢在于發(fā)射的是連續(xù)的線光斑,因此垂直方向的分辨率非常高,而且如果需要進(jìn)一步增加垂直分辨率,只需增加接收端的分辨率,無需增加激光器(發(fā)射端分辨率約等于無限),升級成本更低。

MEMS 振鏡:尺寸較小,平衡性能與體積
電磁式無需高電壓驅(qū)動(dòng),無需升壓電路,而且驅(qū)動(dòng)力明顯大于靜電式(可以驅(qū)動(dòng)更大的鏡片,使激光束可以始終完全擊中大幅擺動(dòng)的鏡片), 掃描范圍也明顯更大,所以目前電磁式 MEMS 是激光雷達(dá)的主流。
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雙楔形棱鏡:低成本設(shè)計(jì),最有利于低價(jià)的方案
新款雙楔形棱鏡利用菲涅爾原理,去掉了棱鏡上不發(fā)揮作用的部分,肉眼可見,新的棱鏡每一片都可以分成兩截, 實(shí)現(xiàn)了減重以及體積收縮,更適合汽車場景。
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5.信號處理:LD 驅(qū)動(dòng)與 TIA 屬必需品,F(xiàn)PGA 主要進(jìn)行時(shí)序控制和算法
LD Driver:越快越好,最大化利用瞬時(shí)功率的選擇
LD Driver 即激光器驅(qū)動(dòng)芯片,它負(fù)責(zé)在接收到主控芯片的“發(fā)光”指令后,給激光器產(chǎn)生一個(gè)具體的控制信號。
TIA:高速運(yùn)放,SiPM 仍需使用
完成放大和電流轉(zhuǎn)電壓 任務(wù)的就是跨阻放大器TIA(trans impedance amplifier), 屬于高速運(yùn)放的一種。
中信證券表示:

目前高速運(yùn)放領(lǐng)域主要被TI、ADI等國外廠商占據(jù),但國內(nèi)激光雷達(dá)廠商表現(xiàn)出一些自研的趨勢,例如鐳神智能與禾賽科技等公司都在自研TIA。根據(jù)禾賽科技招股說明書, 其自研的TIA在通道數(shù)、功耗、展寬、通道隔離度方面都比ADI的產(chǎn)品占據(jù)優(yōu)勢。

TDC、ADC:TDC適合低成本場景,ADC支持更精密測量
TDC(時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)主要發(fā)揮計(jì)時(shí)器功能,通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡單的系統(tǒng);ADC通常用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。
中信證券表示:

目前高速ADC主要由國外廠商生產(chǎn),但國產(chǎn)也有望在未來進(jìn)行自研。根據(jù)禾賽科技招股說明書,其自研的高速 ADC 芯片性能超越 TI 的同類產(chǎn)品,在采樣率不變的前提下, 分辨率、功耗、信噪比都有改善,并且還內(nèi)置了 PLL 鎖相環(huán)。

FPGA:適應(yīng)算法快速迭代,專用電路設(shè)計(jì)比CPU高效率
FPGA通常在激光雷達(dá)中充當(dāng)主控芯片。中信證券表示:

相較于CPU,激光雷達(dá)需要進(jìn)行大量的信號處理、電機(jī)時(shí)序控制等,CPU雖然也能做,但如果采用專用的算法以及為算法專門優(yōu)化設(shè)計(jì)的電路,F(xiàn)PGA的效率會高得多。


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