激光雷達(dá)行業(yè)深度報(bào)告-激光雷達(dá)電光初現(xiàn)上車(chē)元年鐘聲響起

激光雷達(dá)行業(yè)深度報(bào)告：激光雷達(dá)電光初現(xiàn)，上車(chē)元年鐘聲響起激光雷達(dá)：技術(shù)面靜水流深，市場(chǎng)層百舸爭(zhēng)流激光探測(cè)優(yōu)勢(shì)眾多，技術(shù)發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)激光雷達(dá)是利用激光作為信號(hào)波的一種探測(cè)裝置。LiDAR（光探測(cè)和測(cè)距，Lightdetectionandranging）是激光雷達(dá)的簡(jiǎn)稱(chēng)，集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)于一身。與普通雷達(dá)類(lèi)似，激光雷達(dá)通過(guò)探測(cè)被物體彈回的信號(hào)波實(shí)現(xiàn)測(cè)量，不同的是其利用激光作為信號(hào)波。由于激光具有高亮度、高相干性以及良好的單色性和方向性，激光雷達(dá)常有測(cè)量準(zhǔn)確、不易受擾等優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)上看，激光雷達(dá)分為四大部分，即發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊、控制模塊。在激光雷達(dá)工作時(shí)，發(fā)射模塊負(fù)責(zé)發(fā)射激光，掃描模塊負(fù)責(zé)對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行掃描，接收模塊探測(cè)回光，控制模塊則對(duì)點(diǎn)云圖進(jìn)行處理，最終完成探測(cè)。激光雷達(dá)歷史悠久，近年在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)展迅猛。1960年，人類(lèi)第一臺(tái)激光器誕生。1968年，美國(guó)Syracuse大學(xué)的Hickman和Hogg建造了第一個(gè)激光海水深度測(cè)量系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，激光雷達(dá)被用于地形勘測(cè)。1990年德國(guó)Stuttgart大學(xué)的Ackermann教授研制出第一臺(tái)激光斷面測(cè)量系統(tǒng)，形成機(jī)載激光掃描儀。此后，星載激光雷達(dá)的技術(shù)逐漸成熟。2003年，NASA提出將其用于測(cè)量?jī)蓸O冰面變化，正式將地學(xué)激光測(cè)高儀列入地球觀測(cè)系統(tǒng)。近年來(lái)，激光雷達(dá)被用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，迎來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)會(huì)。激光雷達(dá)下游應(yīng)用廣泛，民用場(chǎng)景逐漸拓寬，包括采礦、林業(yè)、考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、地形測(cè)量、林業(yè)勘測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、AR/VR、無(wú)人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。從下游看，因成本較高、體積巨大等因素，激光雷達(dá)主要用于軍事或公共領(lǐng)域。但是近年來(lái)，隨著技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟，激光雷達(dá)也在民用領(lǐng)域逐漸展開(kāi)拳腳，例如在手機(jī)、AR/VR、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的普及加速。分類(lèi)尺度眾多，技術(shù)原理復(fù)雜以掃描模塊為尺度，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式、半固態(tài)式和固態(tài)式。機(jī)械式激光雷達(dá)：帶有機(jī)械式轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射模塊可以實(shí)現(xiàn)360度的水平測(cè)量角度。且機(jī)械式激光雷達(dá)掃描速度快，抗干擾能力強(qiáng)。但是機(jī)械式激光雷達(dá)依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描，有物理磨損嚴(yán)重、成本高昂、體積笨重等缺點(diǎn)。為了繪制更精細(xì)的點(diǎn)云圖，機(jī)械式激光雷達(dá)常配備多個(gè)發(fā)射和接收器，即常說(shuō)的16線、32線、64線等。多線束激光雷達(dá)的角分辨率較優(yōu)，可捕捉遠(yuǎn)處較小的物體。半固態(tài)式激光雷達(dá)各種方案均有長(zhǎng)短。MEMS方案的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，尺寸小，但是微振鏡通過(guò)單晶硅懸臂固定，系統(tǒng)相對(duì)脆弱。且信噪比、視場(chǎng)角、探測(cè)距離等方面也存在一定限制。轉(zhuǎn)鏡方案中鏡片繞圓心旋轉(zhuǎn)，因此功耗低、耐用性強(qiáng)，易通過(guò)車(chē)規(guī)。但轉(zhuǎn)鏡方案在信噪比、視場(chǎng)角、探測(cè)距離等方面也有待提升。棱鏡方案可增加激光線束提高精度和探測(cè)距離，但是中心點(diǎn)云密集，邊緣稀疏，掃描圖形復(fù)雜，后端算法成熟度較低。從終端應(yīng)用上看，各種方案均有較成熟的玩家。MEMS方案玩家有Innoviz、禾賽科技等；轉(zhuǎn)鏡方案主要玩家有華為、法雷奧、Luminar、Innovusion等；棱鏡方案是大疆Livox覽沃首創(chuàng)。從汽車(chē)級(jí)應(yīng)用看，固態(tài)式激光雷達(dá)是理想的選擇，半固態(tài)式激光雷達(dá)是過(guò)渡產(chǎn)品。機(jī)械式激光雷達(dá)雖然FOV大，性能優(yōu)良，但是也存在諸多致命缺陷：1、機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)了物理磨損，設(shè)備損耗嚴(yán)重，平均失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車(chē)規(guī)級(jí)的壽命要求。2、轉(zhuǎn)臺(tái)要求四周無(wú)遮擋，因此必須安裝在車(chē)頂。一方面影響美觀，另一方面難以很好的防護(hù)日光、雨水及行車(chē)過(guò)程中高速流動(dòng)的空氣。3、成本昂貴，包括制造成本和調(diào)試成本。機(jī)械式激光雷達(dá)制造成本高昂，且需人工調(diào)試，交貨周期長(zhǎng)，民用車(chē)輛顯然無(wú)法承受。長(zhǎng)期看，固態(tài)式激光雷達(dá)不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使用壽命和體積的問(wèn)題都可以解決，并且隨著大規(guī)模量產(chǎn)，邊際成本可以降到很低，尤其是固態(tài)激光雷達(dá)的OPA方案是車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的理想方案。半固態(tài)式激光雷達(dá)是機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)式激光雷達(dá)的折中，仍然存在少量機(jī)械運(yùn)動(dòng)，目前半固態(tài)式各方案（棱鏡、轉(zhuǎn)鏡、MEMS）均已有車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，逐漸實(shí)現(xiàn)上車(chē)。905nm的激光雷達(dá)探測(cè)距離可達(dá)150m左右，基本可以覆蓋日常駕駛場(chǎng)景。通過(guò)公開(kāi)數(shù)據(jù)，干燥水泥路面的附著系數(shù)約0.7~1.0，潮濕水泥路面的附著系數(shù)大約0.4~0.6，下雨剛開(kāi)始時(shí)的附著系數(shù)約0.3~0.4。假設(shè)反應(yīng)時(shí)間為0.5秒，g為9.8m/s^2，根據(jù)物理學(xué)路程公式可計(jì)算出制動(dòng)距離。在車(chē)速100Km/h時(shí)，三種路面的制動(dòng)距離均低于150m，而車(chē)速150Km/h時(shí)，僅在干燥路面上制動(dòng)距離小于150m。根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例（2017年頒布）》，高速公路應(yīng)當(dāng)標(biāo)明車(chē)道的行駛速度,最高車(chē)速不得超過(guò)每小時(shí)120公里,最低車(chē)速不得低于每小時(shí)60公里。因此，150m的探測(cè)距離可覆蓋幾乎所有駕駛場(chǎng)景，再通過(guò)設(shè)置智能駕駛系統(tǒng)，讓車(chē)速在下雨時(shí)自動(dòng)衰減便足以保證安全。以探測(cè)原理為尺度，激光雷達(dá)可分為三角測(cè)距法、飛行時(shí)間法(TOF)、連續(xù)調(diào)頻法(FMCW)等等。三角測(cè)距法：激光經(jīng)過(guò)不同位置的物體被散射后返回的光線被透鏡聚焦在光電器件的不同位置上，通過(guò)計(jì)算便可得出被測(cè)物體之間的距離。常見(jiàn)的三角測(cè)距法有直射式和斜射式等，直射式指激光垂直于被測(cè)物體表面射入，斜射式指激光入射時(shí)保持一定傾斜。三角測(cè)距法的分辨率會(huì)隨著距離變化而波動(dòng)。且由于利用幾何關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的，每次變化都需要光電器件讀取出位置信息，故響應(yīng)速度提升較為困難。飛行時(shí)間法：即TOF（TimeofFlight)，激光從發(fā)射器發(fā)出后經(jīng)被測(cè)物體彈回再被接收，由于光速是確定的，因而激光飛行的時(shí)間差便包含了物體的位置信息。其中，TOF方案可分為dTOF和iTOF兩種，其中dTOF直接測(cè)量飛行時(shí)間，iTOF則通過(guò)測(cè)量相位間接得到飛行時(shí)間。相比較下，dTOF的抗干擾力較好，有效測(cè)量距離更遠(yuǎn)，而iTOF的圖形分辨率較高?？傮w看，TOF方法響應(yīng)速度快，探測(cè)精度高。但是工作條件較為苛刻，比如脈沖發(fā)射峰值較大、回波信號(hào)微弱等。TOF方法發(fā)展較為成熟，是目前車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的主流技術(shù)。FMCW法：將發(fā)射激光的光頻進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)回波信號(hào)與參考光相干并利用混頻探測(cè)技術(shù)可得到頻率差，間接得到飛行時(shí)間從而算出目標(biāo)物距離，若被測(cè)物體正在移動(dòng)，則結(jié)合多普勒效應(yīng)可測(cè)出物體的速度。FMCW法具有很強(qiáng)的抗干擾性，但是由于技術(shù)難度高，目前在研居多。TOF方案性能優(yōu)于三角測(cè)距法，目前是車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用的主流。三角測(cè)距法成本較低，但是性能較差。TOF方案可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出大量激光，并且接受回光進(jìn)行分析，具有掃描速度快、掃描區(qū)域廣、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。FMCW方案性能優(yōu)越，但技術(shù)難度大，成本很高，目前在研居多。TOF方案不能直接獲取被測(cè)物體的速度，且雨雪天易受干擾，車(chē)輛之間的串?dāng)_問(wèn)題也不容忽視。FMCW方案可直接測(cè)出物體的移動(dòng)速度，且不易受到干擾，因此信噪比高，在靈敏度等方面也有優(yōu)勢(shì)。但是FMCW法集成難度高，對(duì)分立器件的依靠較強(qiáng)。盡管如此，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)MCW集成程度可以更加徹底從而享受到摩爾定律的紅利。此外，F(xiàn)MCW對(duì)通道要求較高，這直接使其成本居高不下，短期內(nèi)很難降下來(lái)。長(zhǎng)期看，成本降低要求規(guī)模量產(chǎn)、供應(yīng)鏈成熟等。綜上所述，從技術(shù)角度看，1550nm+FMCW+OPA方案是激光雷達(dá)的理想方案，但是短期內(nèi)905/1550nm+TOF+半固態(tài)/Flash的方案將占據(jù)主流市場(chǎng)。隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展，TOF方案面臨的串?dāng)_會(huì)日漸突出，F(xiàn)MCW的優(yōu)越性會(huì)逐步展露，而且FMCW方案天然的適合OPA。當(dāng)然這些都是在理想情況下，要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還須具備條件：（1）技術(shù)成熟度提升。（2）規(guī)?；慨a(chǎn)，降低邊際成本。市場(chǎng)空間廣大，競(jìng)爭(zhēng)格局相對(duì)分散激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模2025年將達(dá)135.4億美元，2019~2025年CAGR達(dá)64.5%。一般而言，自動(dòng)系統(tǒng)需監(jiān)測(cè)外界變化并作出決策，而獲取信息的途徑便是各種各樣的探測(cè)器。激光雷達(dá)作為探測(cè)家族中的重要一員，有著難以替代的優(yōu)勢(shì)。隨著自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)、AR/VR等領(lǐng)域的快速發(fā)展，激光雷達(dá)需求迎來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)。根據(jù)沙利文研究的數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)市場(chǎng)2019年為6.8億美元，2025年將達(dá)135.4億美元，GAGR達(dá)64.5%。激光雷達(dá)技術(shù)門(mén)檻高筑，但市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局相對(duì)分散。激光雷達(dá)技術(shù)壁壘較高，但除Valeo外市場(chǎng)較為分散。根據(jù)Yole的測(cè)算，汽車(chē)與工業(yè)激光雷達(dá)市場(chǎng)中Valeo有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)份額達(dá)到28%，這主要是因其積淀多年。但除Valeo外，市場(chǎng)集中并不十分顯著，尤其近年汽車(chē)智能化的快速發(fā)展給很多新玩家?guī)?lái)了機(jī)會(huì)。技術(shù)方面，905nm和機(jī)械式激光雷達(dá)是當(dāng)前市場(chǎng)主流。從激光波長(zhǎng)角度看，905nm的激光雷達(dá)是當(dāng)前市場(chǎng)主流，份額達(dá)到69%；從掃描方式看，機(jī)械式激光雷達(dá)是當(dāng)前市場(chǎng)的主流，市場(chǎng)份額達(dá)66%，其次是MEMS激光雷達(dá)，市場(chǎng)份額達(dá)17%。下游應(yīng)用：新勢(shì)力成長(zhǎng)，構(gòu)筑LiDAR確定性自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分逐漸清晰，L3及以上才能被稱(chēng)自動(dòng)駕駛。為了應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛行業(yè)出現(xiàn)的新變化，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）于2021年修訂了之前對(duì)自動(dòng)駕駛的劃分，在新的標(biāo)準(zhǔn)中，自動(dòng)駕駛被分為6個(gè)等級(jí)（L0~L5）。L3及以上的功能才能被稱(chēng)為自動(dòng)駕駛，L0~L2僅屬于駕駛員支持功能。在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，汽車(chē)的智能系統(tǒng)是汽車(chē)的實(shí)際駕駛者。但是，L3中人類(lèi)駕駛員需根據(jù)需要提供接管；L4中自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)有特定條件（比如環(huán)境等）；L5可以實(shí)現(xiàn)完全的、無(wú)限制條件的自動(dòng)駕駛。我國(guó)工信部也根據(jù)本土情況對(duì)自動(dòng)駕駛等級(jí)進(jìn)行了劃分，與SAE的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。環(huán)境感知主要依靠攝像頭、超聲波、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，是自動(dòng)駕駛之眼。從硬件架構(gòu)看，自動(dòng)駕駛真正的落地存在短板效應(yīng)。感知、決策、控制任何一個(gè)環(huán)節(jié)掉鏈子都會(huì)直接影響到最終的成敗。感知層作為信息搜集的環(huán)節(jié)，是決策層進(jìn)行正確決策的基礎(chǔ)。單純從傳感器看，各種傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)。攝像頭是市場(chǎng)增長(zhǎng)確定性最強(qiáng)的傳感器，縱觀自動(dòng)駕駛車(chē)企，攝像頭均呈現(xiàn)數(shù)量增長(zhǎng)、像素增加的趨勢(shì)。光線經(jīng)光學(xué)鏡頭聚焦在光電器件上，攝像頭中的光電器件常用CMOS傳感器，CMOS傳感器會(huì)將光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大等一系列處理后可形成圖像。攝像頭的優(yōu)勢(shì)，是可以獲得圖像信息，從而模擬人類(lèi)駕駛員最真實(shí)的駕駛狀態(tài)。缺點(diǎn)是探測(cè)距離較短，容易受到雨雪等天氣的影響，夜間的識(shí)別能力大大下降。毫米波雷達(dá)：是指工作在毫米波波段【30～300GHz頻域(波長(zhǎng)為1～10mm)】的雷達(dá)。毫米波穿透性強(qiáng)，受到雨、雪、灰等因素的影響較小，具有全天候的優(yōu)點(diǎn)。此外，毫米波雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)，體積小，易集成，成本低等優(yōu)勢(shì)，但是毫米波雷達(dá)對(duì)靜止物體的識(shí)別能力較差，空間分辨精度低。超聲波雷達(dá)：利用超聲波作為信號(hào)波進(jìn)行測(cè)量。超聲波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是穿透性強(qiáng)，測(cè)距方法簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)是探測(cè)距離近，精度低等。新勢(shì)力一直是自動(dòng)駕駛的先鋒，包括特斯拉、蔚來(lái)、理想、小鵬等，旗下車(chē)型在自動(dòng)駕駛方面持續(xù)發(fā)力。我們認(rèn)為新勢(shì)力在自動(dòng)駕駛上大力投入的原因至少有幾點(diǎn)。（1）自動(dòng)駕駛代表了新的一輪技術(shù)變革，是近年來(lái)人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展在乘用車(chē)領(lǐng)域滲透的表現(xiàn)，技術(shù)變革符合新勢(shì)力的品牌定位。（2）傳統(tǒng)油車(chē)的汽車(chē)架構(gòu)已經(jīng)成熟，慣性較強(qiáng)，在自動(dòng)駕駛上發(fā)力涉及改變電子電氣架構(gòu)、油電轉(zhuǎn)換、軟硬件耦合等問(wèn)題。雙碳政策下政府對(duì)電車(chē)補(bǔ)貼甚多，新勢(shì)力的產(chǎn)品都是電車(chē)，可利用能源上的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)合適的電氣架構(gòu)以支持智能駕駛系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而快速搶占傳統(tǒng)油車(chē)的市場(chǎng)。（3）在商業(yè)宣傳上捕捉消費(fèi)者獵奇的心理，尤其是年輕人追求時(shí)尚、新潮、創(chuàng)新的心態(tài)，以取得事半功倍的宣傳效果。激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛技術(shù)路線爭(zhēng)議的焦點(diǎn)，由此分化出視覺(jué)派和激光雷達(dá)派。視覺(jué)派以特斯拉為代表，堅(jiān)持不使用激光雷達(dá)；激光雷達(dá)派吸納大部分新勢(shì)力廠商，認(rèn)為使用包括激光雷達(dá)的多傳感器融合才是正確的道路。從目前新勢(shì)力的主流車(chē)型來(lái)看，搭載的攝像頭數(shù)量在8~13個(gè)，超聲波雷達(dá)12個(gè)左右，毫米波雷達(dá)1~5個(gè)左右，激光雷達(dá)也漸漸上車(chē)，在0~2個(gè)左右。視覺(jué)派和激光雷達(dá)派的針?shù)h相對(duì)由來(lái)已久，本報(bào)告無(wú)意一分高下。但是通過(guò)梳理主要成員的技術(shù)路徑和發(fā)展歷史，我們可以得出如下結(jié)論。1、特斯拉堅(jiān)持純視覺(jué)路線有其天然優(yōu)勢(shì)和發(fā)展慣性，短期內(nèi)不會(huì)改變技術(shù)路線轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)派，且特斯拉在新勢(shì)力中龍頭地位短期內(nèi)難以撼動(dòng)。2、特斯拉的商業(yè)模式難以復(fù)制，激光雷達(dá)派沒(méi)有特斯拉一樣的海量數(shù)據(jù)和超算中心。強(qiáng)感知方案可以降低對(duì)算法的依賴，整合供應(yīng)商優(yōu)勢(shì)以尋求商業(yè)破局。由此給激光雷達(dá)的市場(chǎng)帶來(lái)確定性增長(zhǎng)。視覺(jué)派：特斯拉拒絕“激光雷達(dá)”的底層邏輯特斯拉是汽車(chē)新勢(shì)力的典型代表，創(chuàng)立于2003年。在早年，特斯拉發(fā)布了首款汽車(chē)Roadster，2010年公司在美國(guó)納斯達(dá)克上市。在隨后的幾年時(shí)間里，ModelS、Model3、ModelY相繼發(fā)布。2022年，特斯拉柏林工廠正式開(kāi)工。特斯拉產(chǎn)銷(xiāo)兩旺，市值方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開(kāi)豐田，成全球第一大車(chē)企。銷(xiāo)量方面，特斯拉全球銷(xiāo)量一直穩(wěn)步提升。2021年特斯拉全球銷(xiāo)售93.6萬(wàn)輛，同比+87%。2022年在中國(guó)市場(chǎng)局部疫情波動(dòng)、歐洲市場(chǎng)俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)的背景之下，上半年特斯拉全球交付約56.4萬(wàn)輛。產(chǎn)能方面，目前特斯拉有六大工廠，分別是加州工廠、上海工廠、柏林工廠、德州工廠、紐約工廠、內(nèi)達(dá)華工廠。自動(dòng)駕駛方面，特斯拉是全球唯一一家核心領(lǐng)域全棧自研的公司。芯片層：特斯拉早期和Mobileye、英偉達(dá)等公司合作，隨后走上自研道路。在2019年特斯拉發(fā)布的HW3.0中搭載了自研的FSD芯片，算力一路升至144TOPS。感知層：相對(duì)于國(guó)內(nèi)動(dòng)輒十余個(gè)攝像頭的廠商，特斯拉搭載的傳感器較為保守。從2016年發(fā)布的HW2.0到現(xiàn)在的HW3.0，均搭載了一個(gè)三目前向攝像頭，5個(gè)環(huán)視攝像頭，12個(gè)超聲波雷達(dá)和一個(gè)毫米波雷達(dá)。在2022年，特斯拉宣布5月開(kāi)始在美國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的Model3和ModelY將取消前毫米波雷達(dá)，改由攝像頭提供的純視覺(jué)方案完成駕駛輔助功能?！凹热桓鞣N傳感器都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，那么在系統(tǒng)里使用多種傳感器，通過(guò)傳感器的互補(bǔ)才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛？”--實(shí)際上，這可能只是一種外行人的思維慣性，或者并非通向羅馬唯一的道路。自動(dòng)駕駛的運(yùn)算非常復(fù)雜，并非簡(jiǎn)單的加法，本文前面提到過(guò)，感知層獲取數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)決策層運(yùn)算做出指令。因此額外添加的數(shù)據(jù)可能提升了決策的正確率，也可能為決策帶來(lái)了噪音，影響了正確的決策。我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明額外的傳感器不一定能對(duì)系統(tǒng)起到增益的作用，甚至有可能拖累系統(tǒng)。在后融合算法中，是對(duì)不同傳感器產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行仲裁，那么我們假設(shè)系統(tǒng)中有兩種傳感器，當(dāng)結(jié)果中概率大于0.8時(shí)就會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。正常情形下：傳感器B識(shí)別為危險(xiǎn)目標(biāo)的概率為85%，若系統(tǒng)中僅有B傳感器，那么由于結(jié)果大于0.8，此時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)。當(dāng)加入傳感器A時(shí)，由于傳感器A的性能較差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行仲裁時(shí)賦予A的權(quán)重越大，則系統(tǒng)的結(jié)果越不可靠。極端情形下：傳感器B未識(shí)別出危險(xiǎn)目標(biāo)（概率值70%），系統(tǒng)不會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。加入的傳感器A雖然性能很好，但是由于賦予的權(quán)重不夠，A的結(jié)果并沒(méi)有起到作用。我們所舉的例子是基于后融合算法。前融合算法或許可以改善這一問(wèn)題。但我們不能忽略前融合算法的其他問(wèn)題。前融合算法中的模型需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練，對(duì)芯片、通訊等硬件的要求很高，也會(huì)面臨新的問(wèn)題，如坐標(biāo)對(duì)齊等。目前的ADS算法也正在從后融合算法向特征級(jí)前融合算法轉(zhuǎn)化，多采用CNN、RNN、Transformer、GNN多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組合，算法非常復(fù)雜。而特斯拉便是采用“前融合”的思路，將車(chē)身周?chē)亩鄠€(gè)攝像頭獲得的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行融合，再通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將2D的圖像信息映射為3D的空間。特斯拉拒絕激光雷達(dá)的理由二：特斯拉天然優(yōu)勢(shì)：海量數(shù)據(jù)+超強(qiáng)算力。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是成功的前提。我們可以把計(jì)算機(jī)理解為一個(gè)勤奮的笨小孩，機(jī)器學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練就是用數(shù)據(jù)不斷的告訴這個(gè)笨小孩什么樣的場(chǎng)景應(yīng)該怎么做，但盡管如此，當(dāng)遇到全新的場(chǎng)景，這個(gè)笨小孩還是會(huì)一頭霧水。因此，路況信息的搜集是成功的前提。前面提到，特斯拉2021年全球汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)93.62萬(wàn)輛，2022年上半年在大環(huán)境承壓的情況下交付量仍超56萬(wàn)輛。如此龐大的銷(xiāo)量遠(yuǎn)非其他新勢(shì)力可以比擬。這些汽車(chē)行駛在世界各地，為特斯拉搜集到了海量的路況數(shù)據(jù)，建立起了龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)體系。特斯拉“影子模式”，首次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效采集。影子模式是指無(wú)論駕駛員是否開(kāi)啟了自動(dòng)駕駛功能，系統(tǒng)及傳感器依然在工作。系統(tǒng)算法一直在對(duì)汽車(chē)的駕駛進(jìn)行模擬決策，一旦駕駛員的操作與系統(tǒng)算法做出的決策相矛盾，該場(chǎng)景便會(huì)被定義為極端路況，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳到特斯拉的服務(wù)器修正模型。超強(qiáng)算力是訓(xùn)練優(yōu)質(zhì)模型的基礎(chǔ)，特斯拉打造世界上最快的AI訓(xùn)練計(jì)算機(jī)ExaPOD。特斯拉2021年發(fā)布了自研AI訓(xùn)練芯片DojoD1。這款芯片采用了納米技術(shù)，片上集成了500億個(gè)晶體管，單片F(xiàn)P32的算力可達(dá)22.6TOPS，BF6/CFP8算力可達(dá)到363TOPS。在D1的基礎(chǔ)上特斯拉在系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)訓(xùn)練模塊，再由120個(gè)訓(xùn)練模塊共同構(gòu)成ExaPOD超級(jí)計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)總算力達(dá)1.1EFLOPS，是世界上運(yùn)算速度最快的AI訓(xùn)練計(jì)算機(jī)。從數(shù)據(jù)的采集到模型的訓(xùn)練，從感知到?jīng)Q策，特斯拉構(gòu)筑起來(lái)的城墻很高，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在短期內(nèi)很難跨越。通過(guò)純視覺(jué)方案采集的數(shù)據(jù)，再輔以超強(qiáng)計(jì)算機(jī)的模型訓(xùn)練，其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先地位。特斯拉拒絕激光雷達(dá)的理由三：性價(jià)比，輕量化的商業(yè)模式。第一性原理是指根據(jù)原子核和電子相互作用的原理及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過(guò)一些近似處理后直接求解薛定諤方程的算法。通俗的理解“第一性原理”就是為道日損，返本歸元。而在特斯拉發(fā)展過(guò)程中“第一性原理”熠熠生輝，簡(jiǎn)而言之就是降本增效，例如簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，省去不必要的器件等。在激光雷達(dá)的問(wèn)題上，機(jī)械式激光雷達(dá)一度動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)美金的價(jià)格讓民用車(chē)輛高不可攀。近年來(lái)，隨著半固態(tài)方案逐漸商業(yè)化落地，激光雷達(dá)的價(jià)格直線下降，但是目前為止，激光雷達(dá)價(jià)格相對(duì)于攝像頭而言還是很高，目前市場(chǎng)上的激光雷達(dá)價(jià)格在1000美金左右，而一個(gè)車(chē)載攝像頭的價(jià)格僅數(shù)十美元。搭載激光雷達(dá)將使得單車(chē)成本上升，阻礙其輕量化普及的進(jìn)程。因此，如果激光雷達(dá)不能配合后端算法出現(xiàn)較大的性能飛躍，盲目搭載或許并非明智選擇。激光雷達(dá)派：成本鴻溝漸填平，落地上車(chē)正當(dāng)時(shí)為什么特斯拉外的眾多新勢(shì)力及傳統(tǒng)主機(jī)廠都加入了激光雷達(dá)派的陣營(yíng)？我們認(rèn)為至少有下列三大理由：理由一：純視覺(jué)方案在感知層的缺陷非常明顯，特斯拉短期內(nèi)也無(wú)法解決。純視覺(jué)的方案缺陷眾多，不是所有車(chē)企都有特斯拉一樣強(qiáng)大的背景。毋庸置疑攝像頭是不可或缺的，因?yàn)閿z像頭可以模擬人類(lèi)駕駛員真實(shí)的狀態(tài)，獲取交通標(biāo)志、紅綠燈等顏色信息，這些是其他傳感器無(wú)法做到的。但是攝像頭的缺點(diǎn)也很突出，比如受雨雪霧天氣影響大，夜間性能直線衰減。在很多情形中，純視覺(jué)方案可能會(huì)因缺乏位置信息導(dǎo)致失效，例如：

情形一：純視覺(jué)方案可能將汽車(chē)外粘貼的廣告人物識(shí)別為行人，從而觸發(fā)緊急制動(dòng)，導(dǎo)致“幽靈剎車(chē)”的發(fā)生。情形二：當(dāng)大量的白色背景出現(xiàn)，會(huì)給算法帶來(lái)難度。例如特斯拉曾經(jīng)撞向停在路邊的白色貨車(chē)，可能原因就是視覺(jué)系統(tǒng)將其識(shí)別做白云之類(lèi)的物體。純視覺(jué)方案的缺陷歸根結(jié)底是位置信息的缺失，激光雷達(dá)正好可獲得位置信息。激光雷達(dá)收集回光繪制點(diǎn)云圖，可以直接獲得物體的距離信息。例如，在情形一中，由于廣告畫(huà)中的人是平面的，因此不可能是行人。而情形二中，車(chē)輛本身是一個(gè)立體的物體，與環(huán)境存在差異。因此，若激光雷達(dá)將位置信息告知智能系統(tǒng)，則這些錯(cuò)誤或許可以補(bǔ)救。理由二：激光雷達(dá)成本是阻礙普及的最大障礙，但目前已直線下降至綠燈區(qū)。早期的激光雷達(dá)價(jià)格昂貴，Velodyne公司64線機(jī)械式激光雷達(dá)的售價(jià)約8萬(wàn)美元，32線激光雷達(dá)售價(jià)約2萬(wàn)美元。隨著技術(shù)發(fā)展，激光雷達(dá)逐步過(guò)渡到半固態(tài)或固態(tài)方案，當(dāng)前的激光雷達(dá)價(jià)格已經(jīng)降低至1000美元以下，已經(jīng)進(jìn)入汽車(chē)主機(jī)廠可接受的綠色區(qū)間。根據(jù)公開(kāi)信息，Ouster、Luminar、速騰聚創(chuàng)、華為、大疆Livox、圖達(dá)通等公司的激光雷達(dá)均已降至1000美元以下，并逐漸量產(chǎn)上車(chē)。理由三：特斯拉的商業(yè)模式是不可復(fù)制的，搭載激光雷達(dá)差異化競(jìng)爭(zhēng)，或許是彎道超車(chē)的最好機(jī)會(huì)。特斯拉的全棧式自研模式并非一蹴而就，而是發(fā)展多年才逐步建立。在特斯拉發(fā)展早期受限于資金和研發(fā)實(shí)力，芯片也是外購(gòu)Mobileye。Mobileye是全球自動(dòng)駕駛方案的龍頭廠商，在交貨時(shí)采用“黑箱子”模式，即將算法和芯片集成在一起，這種模式使得Mobileye把握了主動(dòng)權(quán)，留給車(chē)企的空間很少。隨后特斯拉投向了自由度更大的英偉達(dá)陣營(yíng)，最后才開(kāi)始自研，并建立其宏偉的數(shù)據(jù)庫(kù)和龐大的數(shù)據(jù)中心。特斯拉銷(xiāo)量是其他新勢(shì)力的數(shù)倍，數(shù)據(jù)搜集能力遠(yuǎn)非其他新勢(shì)力可比。僅在中國(guó)，特斯拉2020年/2021年分別銷(xiāo)售14.7萬(wàn)輛/32.3萬(wàn)輛，是蔚來(lái)、理想、小鵬的數(shù)倍。從車(chē)型來(lái)看，特斯拉主力車(chē)型是ModelY和Model3，2021年分別銷(xiāo)售17.1萬(wàn)輛、15.1萬(wàn)輛。僅在中國(guó)市場(chǎng)上特斯拉便與其他新勢(shì)力拉開(kāi)了差距，放眼全球來(lái)看，特斯拉2021年全球銷(xiāo)量93.6萬(wàn)輛，更是優(yōu)勢(shì)超然，高墻難越。特斯拉有全球拔尖的超算中心和領(lǐng)先的圖像處理能力，這點(diǎn)其他新勢(shì)力也存在差距。對(duì)于新勢(shì)力及想在自動(dòng)駕駛尋求破局的傳統(tǒng)主機(jī)廠而言，相比特斯拉已經(jīng)喪失了先發(fā)優(yōu)勢(shì)，復(fù)制特斯拉的商業(yè)模式是昂貴的。絕大部分車(chē)企沒(méi)有特斯拉一樣雄厚的資金、技術(shù)和人才實(shí)力，即便他們斥巨資建立起特斯拉一樣的超算中心，在數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富度上也和特斯拉相差甚廣，畢竟特斯拉有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的車(chē)輛奔跑在世界各地，這些車(chē)輛每天都將數(shù)據(jù)傳送回特斯拉的服務(wù)器，且特斯拉在自動(dòng)駕駛模型上已經(jīng)聚集了經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師深耕多年。因此，特斯拉的商業(yè)模式是不可復(fù)制的，對(duì)于絕大部分車(chē)企而言，在發(fā)展早期將算法和芯片的研發(fā)交給自動(dòng)駕駛方案廠商，利用相對(duì)成熟的自動(dòng)駕駛方案提供商彌補(bǔ)自己的短板，逐步積累資金、技術(shù)，建立起數(shù)據(jù)庫(kù)，慢慢爭(zhēng)取主動(dòng)權(quán)是上選。選用搭載激光雷達(dá)的“強(qiáng)感知方案”，可以減輕對(duì)決策層算法的依賴，以期彎道超車(chē)。就用激光雷達(dá)彌補(bǔ)純視覺(jué)方案這一問(wèn)題而言特斯拉并不擅長(zhǎng)，除了在宣傳上實(shí)現(xiàn)差異化以捕捉消費(fèi)者心理外，或許真的可以在技術(shù)上發(fā)掘出嶄新的道路。綜上所述，非特斯拉廠商將主動(dòng)或被動(dòng)加入激光雷達(dá)派，從而拉動(dòng)激光雷達(dá)需求。2022年是激光雷達(dá)上車(chē)元年，藍(lán)海從此開(kāi)啟。各廠商生產(chǎn)的激光雷達(dá)已經(jīng)陸續(xù)上車(chē)，所搭載車(chē)型包括蔚來(lái)

ET7、飛凡R7、小鵬G9、理想L9、極狐阿爾法S華為HI版、哪吒S、沙龍機(jī)甲龍、威馬M7、阿維塔11、智已等等。從搭載數(shù)量看，若所搭載激光雷達(dá)性能較高則搭載1顆（如蔚來(lái)ET7、非凡R7），若所搭載激光雷達(dá)稍微遜色，則以量取勝，搭載1~4顆不等。自動(dòng)駕駛發(fā)展趨勢(shì)確定無(wú)疑，2030年有望實(shí)現(xiàn)L4，激光雷達(dá)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。當(dāng)前汽車(chē)市場(chǎng)主流車(chē)型多為L(zhǎng)3以下，隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展，激光雷達(dá)市場(chǎng)將深度受益。上游器件：國(guó)外龍頭主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)廠商發(fā)展迅速?gòu)漠a(chǎn)業(yè)鏈看，前文提到激光雷達(dá)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊、控制模塊四大部分組成，上游主要是光學(xué)和電子元器件，包括準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)散片、分束器、窄帶濾光片、激光器、光電探測(cè)器、掃瞄鏡（如有）、FPGA等。中游主要負(fù)責(zé)集成，下游應(yīng)用包括汽車(chē)、機(jī)器人、工業(yè)、測(cè)繪、軍事等領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器：EEL和VCSEL市場(chǎng)主流激光器原理：微觀粒子具有特定的能級(jí)結(jié)構(gòu)，在與光子相互作用時(shí)，粒子發(fā)生能級(jí)躍遷會(huì)相應(yīng)的吸收或者輻射光子。激光即“粒子受激輻射的光”，原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍升到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)會(huì)以光的形式釋放能量。這一過(guò)程中釋放的光子特性高度一致，因此單色性、相干性、方向性等方面表現(xiàn)優(yōu)良。激光器主要由光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)四部分組成。其中光學(xué)系統(tǒng)主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔等光學(xué)材料組成。增益介質(zhì)中的粒子受到泵浦源的激勵(lì)后從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)釋放能量再次回到基態(tài)。這個(gè)過(guò)程中能量以光子形式釋放，因此形成激光。半導(dǎo)體激光器發(fā)展速度接近摩爾定律，性能及成本每十年改善十倍以上。1962年，通用電氣公司的羅伯特?霍爾帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)展示了砷化鎵半導(dǎo)體的紅外發(fā)射，這是世界上第一個(gè)激光半導(dǎo)體。1985年最先進(jìn)的半導(dǎo)體激光器可以將105毫瓦的功率耦合到105微米的芯徑光纖中。現(xiàn)在最先進(jìn)的半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生超過(guò)250瓦、擁有單一波長(zhǎng)的105微米光纖，這意味著每八年增長(zhǎng)10倍。非常巧合的是這與摩爾定律提出的速度近乎一致，即高功率半導(dǎo)體激光器以類(lèi)似摩爾定律的速度將光子融入光纖。激光器市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)，車(chē)載激光雷達(dá)拉動(dòng)需求。根據(jù)LaserFocusWorld的數(shù)據(jù)，2022年中國(guó)激光器的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到147.4億美元，同比+16.25%。從下游占比來(lái)看，2020年激光器的主要需求來(lái)自材料加工與光刻市場(chǎng)、通信與光存儲(chǔ)市場(chǎng)、科研與軍事市場(chǎng)。隨著激光雷達(dá)逐漸上車(chē)，激光器需求有望快速拉升。國(guó)外企業(yè)起步較早，技術(shù)上有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體激光器及芯片以貳陸集團(tuán)、朗美通、恩耐集團(tuán)、IPG光電等國(guó)外企業(yè)為主，國(guó)內(nèi)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)有武漢銳晶、炬光科技、長(zhǎng)光華芯、凱普林、星漢激光等。光電探測(cè)器：國(guó)外廠商主導(dǎo)光電探測(cè)器需配合光源使用，目前的探測(cè)器主要是基于硅（Si）和銦鎵砷（InGaAs）襯底材料。Si屬于第一代半導(dǎo)體，工藝成熟度稍高，常配合850nm、870nm、905nm、940nm等波段。從技術(shù)上看，激光雷達(dá)的探測(cè)器主要有PD、APD、SiPM/MPPC、SPAD等。SPAD、APD、PD屬同族產(chǎn)品，但工作在不同的電壓區(qū)間，增益也各不相同。PD外加較小的反向電壓，因此沒(méi)有增益。APD工作在線性區(qū)間，增益達(dá)到100倍左右。SPAD工作在蓋革區(qū)間，由于光子此時(shí)光電二極管接受雪崩后不會(huì)自動(dòng)停下（需要猝滅電路），理論上增益可以達(dá)到無(wú)窮大，即可以探測(cè)到遠(yuǎn)處微弱的光芒。SiPM/MPPC，即硅光電倍增管（Siliconphotomultiplier)/MPPC(根據(jù)原理又名multipixelphotoncounter)，由SPAD串聯(lián)猝滅電阻后并聯(lián)在一起組成。SPAD單位內(nèi)像素面積比MPPC高，但MPPC信號(hào)可以反映強(qiáng)弱。故SPAD分辨率更高，MPPC幀速更快。各種探測(cè)器性能差異較大，SiPM和MPPC的增益最高。根據(jù)濱松的資料，PD、APD、MPPC的測(cè)距范圍依次增大。在增益方面，PIN無(wú)增益，APD的典型增益是10~100，MPPC的增益可以達(dá)到10^5。工作電壓方面，PIN工作在10V左右，APD工作在100~200V，MPPC的工作電壓可達(dá)數(shù)十福特。國(guó)外廠商主導(dǎo)領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)廠商爭(zhēng)相布局。激光雷達(dá)探測(cè)器目前國(guó)內(nèi)有布局的廠商有靈明光子、京邦科技、阜時(shí)科技、芯視界等，而國(guó)外廠商有索尼、安森美（收購(gòu)SensL）、濱松、佳能等，尤其索尼和安森美實(shí)力最強(qiáng)。APD是目前激光雷達(dá)市場(chǎng)的主流，SPAD/SiPM是重要的發(fā)展趨勢(shì)，但是工藝難度較高，車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品較少。MEMS微振鏡：國(guó)內(nèi)企業(yè)青萍風(fēng)起MEMS激光雷達(dá)通過(guò)激光器和MEMS微振鏡相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。MEMS激光雷達(dá)僅需把單個(gè)激光器發(fā)出的脈沖掃描成的點(diǎn)陣組成多線就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械式激光雷達(dá)的多光束效果，不需要額外配備收發(fā)模組，因此成本直線下降。更進(jìn)一步的，MEMS微振鏡采用半導(dǎo)體工藝，規(guī)模效應(yīng)很強(qiáng)，因此量產(chǎn)后成本可以進(jìn)一步下降。技術(shù)變革加速，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)增長(zhǎng)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2020年MEMS市場(chǎng)規(guī)模為121億美元，在2026年將達(dá)182億美元，CAGR為7.2%。細(xì)分來(lái)看，消費(fèi)電子是MEMS傳感器最大市場(chǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模為71.3億美元，2026年將為112.7億美元，GAGR為7.9%。汽車(chē)市場(chǎng)2020年的市場(chǎng)規(guī)模為20.3億美元，2026年將為28.6億美元，CAGR達(dá)5.8%。競(jìng)爭(zhēng)格局方面，美日德三足鼎立。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2020年全球收入最高的MEMS企業(yè)均為歐美日企業(yè)，包括Bosch、Broadcom、Qorvo、STMicroelectronics、TI、Goermicro、HP、Knowles、TDK、Infineon等。目前能夠生產(chǎn)MEMS微振鏡的企業(yè)包括博世、英飛凌、濱松、意法半導(dǎo)體、Mirrorcle等。國(guó)內(nèi)企業(yè)青萍風(fēng)起，量產(chǎn)制造仍靠代工。MEMS傳感器的開(kāi)發(fā)分為設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)已逐步建立了產(chǎn)業(yè)鏈。在科研領(lǐng)域有蘇州納米所、中科院電子所等。在市場(chǎng)上涌現(xiàn)出歌爾股份、敏芯股份、瑞聲科技等優(yōu)質(zhì)企業(yè)。MEMS微振鏡技術(shù)早已出現(xiàn)，近年因無(wú)人駕駛而爆火。國(guó)內(nèi)企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品布局較晚，目前能提供MEMS微振鏡的企業(yè)有西安知微傳