计算机行业研究周报：激光雷达技术路线的对比研究

申港证券股份有限公司证券研究报告 敬请参阅最后一页免责声明 证券研究报告 行业研究 行业研究周报 激光雷达技术路线的对比研究 ——计算机 投资摘要： 市场回顾： 上周（2021.1.11-2021.1.15）上证综指、深证成指、创业板指、申万计算机指数分别涨跌-0.10%、-1.88%、-1.93%、-0.14%，计算机指数在申万一级行业涨跌幅排名为正数第10名。 自2021年初至今，上证综指、深证成指、创业板指、申万计算机指数分别涨跌2.69%、3.88%、4.17%、-1.44%，计算机指数在申万一级行业涨跌幅排名为正数第23名。  股价涨幅前五名分别为赛意信息、中科金财、德赛西威、四维图新、联络互动，主要受益部分龙头企业的高景气度。  股价跌幅前五名分别为天夏智慧、雄帝科技、卫宁健康、运达科技、诚迈科技。 每周一谈：激光雷达技术路线的对比研究 近期，多家厂商推出了不同技术路线的激光雷达方案，技术路线的不同决定了整套系统的可靠性、成本、性能、量产难度差异。本篇报告中，我们重点从技术路线的角度对不同激光雷达方案做前瞻解读。 激光雷达主要包括发射光源、扫描系统和接收器，其工作原理是通过激光发生器和光路发出多光束，光束与目标作用形成反射/折射的回波。原路返回的回波信号光子到达接收器，接收端通过光电探测器形成信号接收，经过信号处理得到目标的距离、速度等信息或实现三维成像。发射光源主要包括905nm和1550nm，扫描方式包括机械式和MEMS、OPA、Flash、棱镜、转镜等，测距方法包括ToF和FMCW，接收方案一般APD和SPAD。 从扫描方式来看，激光雷达可以分为两大类：机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件作为，可以实现大角度扫描，但装配困难、成本较高。固态激光雷达目前的实现方式MEMS、Flash和OPA技术。 MEMS激光雷达相对成熟，能以较低的成本和较高的准确度实现成像，有效地克服机械式激光雷达在寿命、成本和良品率等方面所存在的问题，将在未来五年占主导地位。OPA技术，虽然前景非常美好，但上游核心电子元器件、技术支持不成熟，大规模量产尚需时日。Flash 技术已有商用，但是视场角受限，扫描速率较低，主要应用在机器人场景。法雷奥、livox等选用转镜、棱镜的方案，视距有多延长，但电机旋转的方式易发生故障。 近期，自动驾驶的前装落地持续加速，不同厂商也推出了模式各异的激光雷达方案，我们认为现有方案从基本原理上均能满足车规的基础要求，未来的竞争赢家需要平衡光源、接收、机械控制、光路控制等方向的成本、量产进度、可靠性。同时我们看好不同的方案在不同应用场景的百花齐放。看好国内拟上市龙头禾赛科技，海外龙头Velodyne、Innoviz。 投资策略：以5G场景应用为核心主线，结合细分行业景气度，看好智能网联汽车、金融科技、云计算、网络安全、医疗信息化等方向。 投资组合：千方科技、中科创达、海康威视、用友网络、启明星辰。 风险提示：政策落地进度低于预期；行业IT支出低于预期；产业竞争加剧。 评级 增持（维持） 2021年01月17日 王宁 分析师 SAC执业证书编号：S1660520020002 wangning@shgsec.com 010-56931956 行业基本资料 股票家数 258 行业平均市盈率 46.49 市场平均市盈率 23.9 行业表现走势图 资料来源：申港证券研究所 相关报告 1、《计算机行业研究周报：禾赛科技提交招股书 激光雷达行业关注度持续提升》2021-01-10 2、《计算机行业研究周报：关于交通运输部促进自动驾驶指导意见的解读》2021-01-03 3、《计算机行业研究周报：从宝马联手诚迈科技看汽车软件发展》2020-12-27 -20%-10%0%10%20%30%40%计算机沪深300 计算机行业研究周报 敬请参阅最后一页免责声明 2 / 15 证券研究报告 1. 每周一谈：激光雷达技术路线的对比研究 近期，多家厂商推出了不同技术路线的激光雷达方案，技术路线的不同决定了整套系统的可靠性、成本、性能、量产难度差异。本篇报告中，我们重点从技术路线的角度对不同激光雷达方案做前瞻解读。 激光雷达主要包括发射光源、扫描系统和接收器，其工作原理是通过激光发生器和光路发出多光束，光束与目标作用形成反射/折射的回波。原路返回的回波信号光子到达接收器，接收端通过光电探测器形成信号接收，经过信号处理得到目标的距离、速度等信息或实现三维成像。发射光源主要包括905nm和1550nm，扫描方式包括机械式和MEMS、OPA、Flash、棱镜、转镜等，测距方法包括ToF和FMCW，接收方案一般APD和SPAD。 图1：激光雷达工作原理 资料来源：《固态激光雷达研究进展》，申港证券研究所 发射光源一般905nm半导体激光器和1550nm光纤激光器。大多激光雷达公司都使用905nm光源，905nm方案一般采用边缘发光（EEL）技术或垂直腔面发射激光器（VSCEL）技术，因905nm光源可能伤害人眼，为满足Class-A安全要求，905nm光源的发射功率相对受限。1550nm光源功率更大，穿透能力强，探测距离长，但受制于成本目前未能普及，据我们的产业链调研，905nm光源成本一般在100美元以内，1550nm光纤激光器成本在1000美元左右。 表1：发射光源 905nm半导体激光器 1550nm光纤激光器 安规 波长越短，对人眼伤害越大，安规限制越严格 限制小 成本 传感器 硅材料，成本低 InGaAs材料，成本较高 光源 半导体激光器成本较低 光纤激光器单价高 性能 日光干扰 干扰大 干扰小 大气散射 穿透能力弱，雨雪雾天有效探测距离缩短 波长越长，穿透能力越，探测距离长 典型厂商 主流 Luminar、华为、Innovusion 资料来源：申港证券研究所 计算机行业研究周报 敬请参阅最后一页免责声明 3 / 15 证券研究报告 测距方式主要为ToF和FMCW。主流ToF测距方式通过记录激光发射和接收的时间差，再乘以光速计算出距离。FMCW利用发射频率变化的连续波，利用频率差、多普勒效应，确定物体位置，测量物体速度。FMCW具有探测距离远、灵敏度高、抗干扰能力强、成本低、功耗低等优势，但目前技术门槛极高，对系统集成、信号处理算法方面要求严格，还没有实现大规模量产。 表2：测距方式 TOF飞行时间测距 FMCW调频连续波 原理 通过直接测量发射激光与回波信号的时间差，基于光在空气中的传播速度得到目标物距离信息 将发射激光的光频进行线性调制，通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间反推目标物距离 图示 评价 技术成熟，信息量较FMCW方案少。 除3D信息外，FMCW可根据多普勒频移推算瞬时速度（ToF计算的是区间速度，精度不如FMCW）；抗干扰（包括环境光和其他激光雷达）；信噪比高出ToF激光雷达100倍，拍频探测所需发射功率低，对人眼更安全 典型厂商 主流 Aeva、Ibeo 资料来源：申港证券研究所 接收端包括APD和SPAD。APD（雪崩二极管）为典型的光电转换模块，技术较为成熟。SPAD（单光子雪崩二极管）阵列效率比传统的APD高，可实现低激光功率下的远距离探测能力，并降低整体系统功耗和减小体积，但目前电路设计和制造工艺方面还有难题需要克服。 表3：接受器 SPAD（单光子雪崩二极管） APD（雪崩光电二极管） 图示 灵敏度 单光子响应，灵敏度极高，极限量程大 灵敏度高，极限量程相对较大 成像输出 仅输出0/1信号（黑白） 动态范围大，输出模拟信号（灰度） 噪声干扰 动态范围极小，噪声影响严重，户外白天易饱和失效 动态范围大，信噪比高 量子效率 光子探测效率低（~5%） 光子探测效率高（~70%） 阵列化工艺 阵列化工艺成熟，已有MPPC/SiPM方案 阵列化工艺不成熟 信号处理电路 输出黑白信号，处理电路简单 输出灰度信号，处理电路相对复杂 典型厂商 Quster、Quanergy及基于MEMS/Flash的多数厂商 Livox、禾赛科技、Velodyne 、Ibeo等 资料来源：申港证券研究所 从扫描方式来看，激光雷达可以分为两大类：机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件作为，可以实现大角度扫描，但装配困难、成本较高。固态激光雷达目前的实现方式MEMS、Flash和OPA技术。 计算机行业研究周报 敬请参阅最后一页免责声明 4 / 15 证券研究报告 MEMS激光雷达相对成熟，能以较低的成本和较高的准确度实现成像，有效地克服机械式激光雷达在寿命、成本和良品率等方面所存在的问题，将在未来五年占主导地位。OPA技术，虽然前景非常美好，但上游核心电子元器件、技术支持不成熟，大规模量产尚需时日。Flash 技术已有商用，但是视场角受限，扫描速率较低，主要应用在机器人场景。法雷奥、livox等选用转镜、棱镜的方案，视距有多延长，但电机旋转的方式易发生故障。 表4：激光雷达技术路线及典型产品比较 机械式 MEMS微振镜 转镜 棱镜 OPA Flash 应用场景 Robotaxi、Robotruck、V2X OEM OEM、Robot 产品/厂商 32MR/ Velodyne Pandora 40P Hesai Innoviz Pro M1-Simple Robosenxe Aeries Aeva H-Series Luminar Scala2 Valeo Innovusion 华为 Horizon Livox Quanergy NEXT Ibeo 测距m@10% 120 200 80 120 250 250 150 500（不确定反射率） 150 90 150 130 HFOV 360 360 73 120 120 120 133 120 120 81.7 60 VFOV 40 40 20 25 30 30 10 25 25.1 37.5 线数 32 40 等效44 等效125 640 640 16 300 96 光源nm 905 905 905 905 1550 1550 905 1550 1550 905 905 885 量产节点 量产 量产 宝马2022 Lucid 2021 2025 沃尔沃2022 奔驰2022 蔚来 2022 极狐2021 小鹏P7 2021 长城2021 成本评估 光源数量多、人工成本高 芯片化方案理论成本低，光路复杂，测距相对较短，1550nm光源产业化进度慢 转镜或棱镜方案对可靠性有一定要求，光源和接收产业化进度慢 芯片化方案，理论成本低，产业化进度最慢 资料来源：MEMS，申港证券研究所 机械式雷达：通过机械式旋转来实现激光扫描。多束激光纵向排列，纵向叠加后呈现出三维立体图形。机械式激光雷达作为自动驾驶领域最早开始应用的传统激光雷达，历经多年迭代技术已较为成熟，实现量产，预计会长期是Robotaxi的主流方案，但由于装配困难、光源较多导致成本较高。 图2：机械式激光雷达技术原理图 资料来源：MEMS，申港证券研究所 计算机行业研究周报 敬请参阅最后一页免责声明 5 / 15 证券研究报告 MEMS方案：通过微振镜代替机械式旋转装置，由微振镜反射激光形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。相比机械式，MEMS激光雷达具有芯片化方案、无机械组件等等优点，兼顾车规量产与高性能的需求。但MEMS激光功率较低，有效距离较短，且激光扫描范围受微振镜面积限制，视野FOV相对较窄。 图3：MEMS微振镜激光雷达技术原理图 资料来源：innoluce，申港证券研究所 转镜方案：固定发射和接收端，激光通过旋转镜面系统进行扫描，通过较少光源的机械光路实现收发。该技术路线为最早过车规的路线（Scala1），华为、Innovusion也使用类似方案。此类方案可以控制扫描区域，提高关键区域的扫描密度，但电机驱动的方式具有一定不稳定性，