激光雷达行业研究：Flash激光雷达-迈向全固态时代

激光雷达行业研究：Flash激光雷达_迈向全固态时代

一、Flash是较易实现的车载全固态激光雷达方案

激光雷达固态升级是主旋律

MEMS半固态激光雷达是目前最为成熟的半固态激光雷达，也是当下乘用车前装量产的首选方案。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，但下降空间有限。

MEMS依旧存在少量机械结构。MEMS的核心部件MEMS微振镜属于震动敏感型结构，如何确保其在车载极端环境下的可靠性是MEMS厂商需要解决的问题之一。此外，精密的微振结构在生产过程中调试难度较大，依旧存在部分手工调节过程，难以满足大批量、标准化、低成本、快速生产的需求。

MEMS性能提升潜力较低。MEMS方案通过MEMS振镜的物理震动来实现光束的反射和折射，以完成对光束的操控。因此，光束扫描频率与MEMS振镜的振动频率直接相关。但MEMS振镜的震动存在物理极限，进而导致了MEMS激光雷达的扫描频率提升受限。而全固态方案则不依赖机械运动，主要与脉冲频率有关，因此成像频率在理论上可无限提升。

MEMS扫描模式下，扫描频率与扫描角度存在冲突。MEMS振镜振动频率越快，则扫描频率越快。而MEMS振动幅度越大，则扫描角度越大。振动频率与振动幅度负相关，因此扫描频率与扫描角度之间存在冲突。MEMS振镜震动频率越快，则光束扫描越快，扫描频率越高，帧率越高，但扫描角度越小。

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。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。

Flash激光雷达当前功率密度较低，性能较差

Flash激光雷达功率密度较低，FoV（扫描角度）、探测距离、探测精度三者难以兼顾。Flash方案激光雷达属于泛光成像，其发射的光线会散布在整个视场内，其中包括大量不必要的区域，因此会对功率造成浪费，从而影响其探测精度和距离。因此，其探测的FoV角度越大，便意味着等量的功率所需覆盖的面积越大，则激光功率密度越低，探测距离越短，探测精度越低。

Flash方案的弊病主要可从四个方面解决：提高功率、缩小扫描角度以聚焦、可变扫描角设计、降低定位。提高功率是提高Flash激光雷达性能最直接的方案，但是实现难度最大；缩小扫描角度以聚焦、可变扫描角两种方案属于在探测距离和扫描角度之间做取舍，实现难度较低；降低定位方案的发展思路为放弃提升性能而专注于降本。

“提高功率”方案实现难度最大，可能会导致成本大幅上升。传统的VCSEL激光器存在发光密度功率低的缺陷，导致只在近距离探测领域有相应的激光雷达产品（通常<50m）。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。

“缩小扫描角度以聚焦”、“可变扫描角”属于在探测距离和扫描角度之间做取舍的两种方案，其实现难度较低。在严格控制生产成本情况下，兼顾扫描角度、探测距离二者的全能激光雷达研发生产难度较高，专注于某一方面性能的功能性激光雷达有望成为主流。缩小扫描角度以提高在较小扫描范围内的探测距离，属于主雷达发展思路；而可变扫描角方案则实现了性能侧重点在探测距离和扫描角度之间转换的灵活性，属于平衡型雷达发展思路。

主激光雷达特点为探测距离远，平衡型激光雷特点为无明显弱势项。主雷达通常安装在车辆中央，面朝前方，对探测距离有较高要求，对扫描角度无硬性要求。其通常搭配若干中短距雷达在车辆周身作为辅助，以弥补其在扫描角度上的不足，代表型产品为Ouster-ES2。平衡型激光雷达在探测距离、扫描角度等方面无明显弱势项，通常以雷达组的形式出现，覆盖车辆周身主要视角和方向，代表型产品为速腾聚创M1。

“降低定位”方案的发展思路为放弃提升性能而专注于降本。辅助雷达对于性能要求较低，但对成本更加敏感。Flash方案激光雷达相比于机械式和MEMS的优势在于集成度、量产成本，而劣势在于短期内性能难以大幅提高，其方案本身特点较为满足辅助雷达定位。

二、Ouster：逆浪而行的数字激光雷达

坚持芯片化集成技术，产品矩阵完善

Ouster成立于2015年，于2021年3月通过SPAC在北美上市（代码：OUST）。公司旗下激光雷达产品主要分为机械式的OS和固态式的ES两大系列。根据公司官网信息，公司产品命名采用字母+数字的形式：OS为机械式激光雷达，ES为固态激光雷达；0、1、2分别对应短、中、长距。在OS系列三款不同定位产品中，又划分为32线、64线、128线三种规格。截至2021年8月，Ouster官网合计列示了9款机械旋转式激光雷达和1款固态激光雷达。

ES2固态激光雷达牺牲扫描角度以实现更远的探测距离。前文提到，Flash方案激光雷达存在功率密度低的弊病，可通过调整扫描角度或探测距离的方法将有限的功率侧重供给于某方面性能上。OusterES2固态雷达选择牺牲扫描角度以换取较远探测距离，其扫描角度仅为26°*13°，但探测距离高达200m（10%反射率），应用领域为ADAS。

Ouster产品矩阵较为完善，下游应用场景多样。公司第一代产品为OS1，开创性的将固态的激光收发器与机械旋转扫描结构相结合，定位为中距探测。Ouster第二代产品为超广角激光雷达OS0和远距离激光雷达OS2。相比于第一代产品OS1，OS0在探测距离方面更短，但垂直扫描角度翻倍，整体FOV角度达到了360°x90°的超高水平；而OS2的扫描角度仅为OS1的一半，但其探测距离相比于OS1则提升了一倍，主要用于远距离探测。目前OusterOS系列产品均已实现量产，使用场景覆盖自动驾驶、无人机、安防等多个领域。

Ouster与众不同的三大特质

芯片化、850nm附近工作波长、数字化是Ouster产品的三大特征。Ouster专注于数字化技术，将激光雷达的收发端全部集成到芯片上，使得整个产品的集成度大幅提升，成本和量产难度大幅降低。此外，在激光波长选择方面，Ouster凭借自身在环境光抑制方面的专利技术，采用了光子通量较高的850nm附近波长的激光，从而使得自身产品具备了诸多的特质。而在扫描结构方面，其在OS系列产品上延续了传统机械旋转式的扫描结构，形成了独有的机械式固态方案。

Ouster专注于芯片集成技术，研发共享度高，可有效降低成本。不同于传统激光雷达内部包含了数千个零部件，Ouster数字激光雷达内部只有一个芯片级激光阵列和一个CMOS传感器，大大降低了价格，提高了性能和可靠性。其不同系列产品均采用芯片化的激光发射器和探测器，区别仅体现在光束操控领域，因此研发成果共享度极高，可有效降低研发成本。此外，芯片集成技术可使得Ouster激光雷达产品的性能提升遵循摩尔定律，使其性能提升速度远超同类竞品。

环境光抑制技术赋予Ouster具备使用850nm作为工作波长的能力。850nm波长处的太阳光子通量远高于传统激光雷达使用的905nm、940nm、1550nm，会在探测器接收回波信号过程中造成较大噪音干扰。Ouster拥有独特的环境光抑制技术，即使考虑到太阳光谱中不同波长的光子通量差异，其探测器仍能够保持较高信噪比。

选择850nm作为工作波长为Ouster产品带来诸多优势：低水汽吸收性、高CMOS探测器灵敏度。大气中的水蒸气会吸收部分905nm、940nm、1550nm太阳光，因此地表中上述三种波长光的含量较低，但地表的潮湿环境中的水汽仍然会对上述波长的光进行吸收，进而使得采用上述三种工作波长的激光雷达能量利用率下降。而850nm光在所有条件下都拥有较低的水汽吸收性，因此Ouster激光在潮湿环境中的受到的影响较低。

硅基CMOS探测器在850nm处拥有更高灵敏度。从850nm到905nm，硅基探测器感知上述波长的灵敏度降低了约2倍。探测器灵敏度下降会直接导致其可接收到的回波信号减少，降低激光雷达的探测距离和分辨率。

Ouster将机械式旋转扫描结构融入固态激光雷达之中，形成了独特的数字激光雷达。Ouster巧妙的结合了机械旋转式激光雷达360°扫描和固态激光雷达在成本和集成度方面的优势，开创了全新的数字激光雷达路线。

应用领域广泛，业绩爆发在即

Ouster的合作伙伴涉及诸多应用领域，单一合作伙伴合作程度较深，对车载依赖程度较低。根据Ouster公布信息，公司产品目前应用在诸多领域，包括自动驾驶、机器人、安防、工业、智慧城市、V2X、农业、地图等，其中自动驾驶、机器人、安防三大领域合作伙伴数量最多。根据Ouster官网列示信息，截至2021年7月，该三大应用领域合作伙伴数量分别为12个、11个、10个。Ouster与单一合作伙伴在诸多领域均有合作项目，合作程度较深。

根据Ouster官网列示信息，截至2021年7月，与Ouster合作领域最多的四大合作伙伴为Unikie、CronAI、Mechaspin、4DVirtualiz，合作领域数量分别为6个、5个、4个、4个。需要特别指出的是，Ouster虽然在车载市场的合作伙伴数量最多，但公司对车载市场的依赖程度并不深。根据Ouster的预测，2020-2025年，自动驾驶对公司营业收入的贡献约为15%，ADAS营收贡献约为2%。

Ouster的诸多合作伙伴有望为公司在2025年带来近60亿美元订单。根据Ouster推介材料公布信息，截至2021年5月6日，公司现有客户有望为公司在2025年带来价值超过20亿美元的订单，而全部客户为公司在2025年带来的订单价值量有望达到近60亿美元。

公司传感器有望在2020年后快速降本，稳步提升毛利率，并在2023年后快速放量。公司目前主推9款机械式激光雷达和1款车载固态激光雷达，2020年产品平均售价及平均成本分别高达7818美元和8119美元，总毛利率仅为8%，公司产品有望快速降本，在2025年将产品平均售价及平均成本分别下降至1703美元和809美元，总毛利率提升至59%。Ouster预计其传感器销量有望在2023年之后实现快速放量，2020-2025年化复合增长率高达218%。产品销量快速提升的原因是公司固态激光雷达产品有望在2023年大量投放市场。

营业收入和毛利润快速增长，毛利率逐年提升。根据Ouster官方信息，公司营业收入及毛利润在2020-2025年有望实现大幅增长，营业收入2020-2025年化复合增长率高达142%，毛利润2020-2025年化复合增长率高达242%。公司产品量产带来的规模效应将持续降低产品生产成本，提高公司产品在市场上的竞争力，并赋予公司更强的议价能力和提价空间，持续提升毛利率。

三、Ibeo：多领域布局，均衡型发展路线

专注车载和工业领域

Ibeo成立于1998年，初始专注于激光扫描仪技术的紧急制动系统开发。2000年，工业应用传感器和传感器系统制造商SICKAG收购Ibeo90%的股份成为大股东，同年发布无任何移动部件的ALASCA激光扫描仪。2005年，公司ALASCAXT的探测范围从80米扩展到200米，并成为Ibeo第一个带有FPGA的传感器。2007年，公司发布IbeoLUX。2020年，Ibeo成为长城汽车再中国的首家激光雷达系列供应商。同年，公司产品IbeoNEXTGeneric样本进入市场，预计将在2022年实现量产。

Ibeo选择可变扫描角方案，面向均衡型雷达方向发展。Ibeo目前在车载领域主要有两款产品。第一款为2007年发布的LUX，其探测距离较近，在车载领域难以独立担当主雷达的角色，主要作为工业级激光雷达和车载辅助激光雷达。第二款为车规级激光雷达NEXTGeneric，该款激光雷达将激光发射器（10240个VCSEL）、激励源（25Hz）、信号探测器（10240线SPAD）集成为三颗ASIC芯片，有11.2°*5.6°和60°*30°两种扫描角模式。IbeoNEXT传感器包含128列80行激光发射器和信号探测器。该款产品使用连续闪烁技术，可逐行对环境进行扫描。

独特4D激光雷达，强化车载性能

IbeoNEXTGeneric4D激光雷达拥有多种扫描角模式，使用场景多样。Ibeo开发了业界全新的4D传感器系统，可额外形成黑白图像——强度数据，强度图像将强化车道识别功能。IbeoNEXT的应用场景十分多样，根据应用，可以选择11.2°x5.6°或60°x30°两种扫描角（目前正在开发32°和120°模式）。通过使用