此篇报告为中金公司团队继《激光雷达#2：车载激光雷达推动L3+自动驾驶，有望成为千亿元赛道》后关于车载激光雷达的又一深度报告。站在激光雷达上车元年这个特殊时点，中金将着重回答市场关注的五个问题，包括车规性能、发射器和扫描方式的技术演进方向、成本分析与降本路径探讨等，并梳理激光雷达产业链中国产厂商的发展机遇，重申对激光雷达产业链的看好。
目前激光雷达车规标准由各车厂制定，暂未统一，但主要性能指标包括：1)探测范围：探测距离、视场角(H×V);2)点云质量：点频、角分辨率、扫描帧频;3)量产落地因素：成本、尺寸、使用寿命等。
激光雷达技术路径尚未收敛，905nm发射器和MEMS或成中期主流方案。1)激光发射器：905nm是在满足当前自动驾驶性能需求基础上成本最优的方案;2)扫描方式：转镜式激光雷达最早通过车规并实现上路，但存在线数难做高、尺寸较大、功耗较高等问题。我们认为，综合考虑成熟度、性价比、车规的可靠性、规模化制造等维度，MEMS激光雷达方案效用最佳，有望成为未来3-5年内最早大规模落地的商业技术路线。长期来看，资本和技术的加持推动固态雷达产业化加速，随着Flash、OPA等纯固态技术逐渐成熟，我们认为固态激光雷达有望在未来3-5年迎来商用落地。
激光雷达降本路径逐渐清晰，有望实现价格下探。成本是目前激光雷达实现大规模上车的主要阻碍，当前可量产激光雷达的平均价格已下探至500-1000美元区间，我们认为未来有望下降至200美元以下，主要的降本路径有：1)提升设计能力，向固态化+集成化发展。系统设计的优化在降低BOM成本的同时简化电路结构，有助于减少电子器件的用量并大幅降低装调成本;2)大规模量产，分摊制造和研发成本;3)自研关键芯片，控制上游元件成本;4)激光器等上游器件逐步实现国产替代;5)提升工艺，控制生产良率。
车载激光雷达量产进程不及预期;上车进度不及预期;成本下降幅度不及预期;自动驾驶政策开放不及预期。
车规级激光雷达的性能指标主要分为三类：1)是否能探测到：探测距离和视场角决定了激光雷达的探测范围;2)探测是否清晰准确：点频最能反映激光雷达的点云质量;3)是否能落实到量产装车：需要综合考虑可靠性、尺寸、使用寿命、功耗及成本等因素。
各车厂对激光雷达的性能要求标准并不统一，但与量产相关的车规级认证主要有IATF 16949、ISO 26262、AEC-Q100、ISO 16750、A-SPICE等，各自侧重点不同，其中三者更加重要——1)功能安全：ISO 26262;2)零部件供货及供应商质量管理：IATF 16949;3)IC产品测试认证：ACE-Q100。
从理论上来说，各性能指标相互联系：1)由于每个激光器的点频存在上限，视场角、角分辨率及扫描帧频三者相互制约，提升某一性能必然是以牺牲其他性能为代价;2)有效探测距离是相对于足够的反射点云来说的，二者相互依存。
从实际出发，增大发射功率可以提高探测距离，但对于905nm来讲，增加发射功率可能会有伤害人眼的危险;对于1550nm来讲，增加发射功率，对热管理要求较高。提高激光收发单元数、提升扫描帧频等可以提高点频密度，但会付出成本高、体积大、使用寿命降低的代价。
激光发射器按波长来分，可以分为905nm、1550nm、940nm等不同种类。激光雷达的激光波长的选择主要基于：1)太阳光的功率在近红外波段和短波红外波段较低，日光干扰低;2)特定的波长能够被特定的材料(Si、InGaAs等)吸收。根据Yole数据，目前激光器波长主要为905nm和1550nm两种，3Q21的市场份额分别为69%、14%。
905nm激光发射器由于产业链较为成熟、成本相对较低等原因是目前应用相对较广的一类激光器：1)车载激光雷达的先行者Velodyne在2007年就布局905nm激光雷达(HDL-64E)，并和Google、百度等自动驾驶算法公司协作进行路测;2)Lumentum、Hamamatsu、Osram等厂商具有较为成熟的905nm激光发射器制造工艺;3)用于接收905nm波长激光的Si探测器成本也相对较低。
1550nm波长的激光雷达以优异的探测性能取胜。波长1400nm以上的激光到达视网膜之前，就会被眼球的透明部分吸收完，对人眼没有伤害，1550nm波长的激光雷达可以相较905nm波长以10倍至40倍的功率运行，发射功率越大，光子携带的能量越多，越不容易在传输中发生衰减，从而能获得更高的点云分辨率、更远的探测距离以及更强的复杂环境穿透力。
我们认为905nm激光雷达探测距离较短的缺陷不妨碍其在正常情况下支持汽车自动驾驶功能，但极端情景能否保护驾驶员安全仍有待商榷。我们通过简化后的刹车距离公式s= vt +v2/2μg(s为刹车距离，v为汽车巡航速度，μ为车轮与路面间的滑动摩擦系数，g为重力加速度9.8m/s2，t为反应时间)进行讨论，我们假设汽车自动驾驶的反应时间为0.5s：
► 极端情景#1：大雨天高速公路上，假设汽车以100km/h的巡航速度进行L3+自动驾驶，由于雨天路滑μ为0.3，根据公式可推算出汽车的完整刹车距离为145.14m。
► 极端情景#2：浓雾天气下，假设汽车以50km/h(13.89m/s)的巡航速度进行L3+自动驾驶，μ为1，根据公式可以推算出汽车的完整刹车距离为16.79m。
► 极端情景#3：在不限速的高速公路上，假设汽车以200km/h的巡航速度进行L3+自动驾驶，μ为1，此情形下汽车的完整刹车距离为185.28m。
正常情况下，在限速120km/h的高速上行驶时，汽车的完整刹车距离为73.36米，而905nm激光器的探测距离大致在150米左右，基本覆盖正常情况下的刹车距离，因此我们认为除了较恶劣天气及超速行驶情形外，905nm激光雷达基本可以支持日常出行。
虽然1550nm激光雷达有更高的探测距离，但其成本过高，且使用的光纤激光器体积也很大。根据IHS Markit数据，2019年905nm和1550nm的一个激光收发组件的价格分别为4~20$和275$，并且其预计2025年分别为2~10$和155$。此外，1550nm激光器需要高功率以提升探测距离，但其中一半会转化为热能，带来较复杂的热管理问题，综合成本或进一步上升。
目前，机械式激光雷达技术最为成熟，其特征是具有一个裸露的可以360°旋转的筒状结构，主要应用于自动驾驶测试研发领域。但机械式激光雷达存在成本较高、装配调制困难、扫描频率低、生产周期长、机械零部件寿命不长等缺点，且由于旋转部件体积较大不易集成到车体，我们认为该技术方案较难应用在规模量产车型中。
和机械式相比，半固态式激光雷达保持激光收发模块静止，仅扫描部件旋转或振动。现阶段国内乘用车激光雷达技术路线之争，主要是半固态下转镜与MEMS两种技术方案之间的较量。
转镜式激光雷达是最早通过车规并实现上路的方案，有望阶段性率先起量。转镜方案没有外露的旋转部分，通过电机带动一个内置的可旋转镜子做机械运动，实现约120°范围的扫描。转镜方案又可分为一维转镜(以法雷奥、禾赛为代表)和二维转镜(以Luminar为代表)两种技术路线。我们认为，转镜式激光雷达方案具有易过车规认证、成本可控、性能满足需求门槛、可批量稳定供货等优势，为主机厂乘用车产品实现从0到1跨越的首选方案。但转镜方案目前尚未实现大规模上车的原因在于：1)线数难做高，视场角和角分辨率受到限制;2)尺寸较大且功耗较高;3)成本下降空间有限。
MEMS激光雷达通过MEMS(micro-electro-mechanical-system，微机电系统)技术将机械式激光雷达、转镜式激光雷达中的镜面、转轴等机械零部件集成化至芯片级别，在微观上实现发射端的光束操纵，具有尺寸小、可靠性高、批量生产后成本低、分辨率高等优势：
► 优势#1：尺寸小、可靠性高。MEMS激光雷达相较机械式/转镜式激光雷达使用MEMS微振镜替代了马达、棱镜等机械运动装置，减小尺寸空间，提高系统稳定性。
► 优势#2：成本低。MEMS微振镜可实现快速扫描，其等效线数高达一至两百线，因此要实现相同的点云密度，MEMS所需的激光发射器数量较机械式/转镜式少，成本下降。此外，MEMS是半导体工艺，规模量产后MEMS微振镜的ASP可进一步下降。
综合考虑成熟度、性价比、车规的可靠性、规模化量产的可行性等维度，我们认为MEMS激光雷达方案效用最佳，有望成为未来3-5年内最早大规模落地的商业技术路线。据我们的行业观察发现，整机厂对MEMS方案的青睐度提升，上车比例有所提高。根据公司官网，Innoviz的MEMS激光雷达产品InnovizOne于2021年搭载在宝马新型BMW iX车型上;国内厂商速腾聚创的MEMS激光雷达RS-LiDAR-M1于2021年6月实现量产装车;在CES 2022上，作为转镜方案代表的法雷奥在第三代产品中转向MEMS设计，公司预计第三代将在2024年正式上市。
长期看，“固态化”是车载激光雷达发展的主旋律，我们认为纯固态有望成为激光雷达的终极形态。纯固态激光雷达中没有任何运动部件，在颠簸、震动、高低温等严苛环境中具备寿命优势，最易达到高等级车规要求;且理论体积可进一步缩小、并可以进行高度芯片化，理论成本有望下探到100美元。目前纯固态技术方案主要有Flash和OPA两种：
► Flash：Flash固态激光雷达的成像原理类似快闪，在短时间内向探测区域直接发射激光，再通过高度灵敏的接收器接收后输出图像。Flash激光雷达的优势在于能够一次性实现全局成像，避免了运动补偿，且无需扫描，成像速度更快，但其缺点是激光功率受限，导致探测距离、FoV(视场角)、探测精度三者难以兼顾，现阶段通常作为辅助雷达出现。
► OPA：OPA固态激光雷达运用光学相控阵(Optical-Phased-Array)技术，通过调节发射阵列中每个移相器的相位控制激光束的输出方向，完成对目标区域的扫描测量。OPA激光雷达具有体积小、扫描速度快、精度高、可控性好等优点，但因当前技术限制，激光在最大功率方向之外的地方易形成旁瓣，使激光能量被分散，影响作用距离与角分辨率，且微阵列芯片设计的工艺难度较高，制约其大规模量产。
当前激光雷达受到市场极高关注度，资本和技术的加持有望推动固态雷达产业化加速，我们认为固态激光雷达有望在未来3-5年迎来商用落地。但当前纯固态方式仍较多处于实验室或初步测试阶段，距离性能提升、技术成熟、大规模量产还有一段路要走：1)Flash方案厂商主要通过提升光源质量(从LED/CMOS光源→VCSEL)、使用SPAD阵列进行接收端增益以及提升单车搭载数量改善产品性能。根据公司官网，搭载3个IbeoNext固态激光雷达的长城WEY摩卡车型预计在2022年量产;Ouster ES2选择牺牲扫描角度(26°×12°)换取较远的探测距离(200m)，预计2024年实现批量交付。2)OPA方案代表厂商Quanergy尽管早在CES 2017大会上发布了S3纯固态产品，但由于技术突破难度大，底层制造工艺的稳定性仍需提升，至今未实现真正的商业化落地。
激光雷达一般由发射模块、接收模块、扫描模块以及信息处理模块四部分构成：1)激光发射模块：激光器(EEL/VCSEL/光纤激光器)发射的激光脉冲通过发射光学系统，将激光发射至目标物体;2)激光接收模块：经接收光学系统，光电探测器(APD/SAPD/SiPM)接受目标物体反射回来的激。
