财富研究产业掘金：激光雷达2：ToF、FMCW并存，VCSEL有望逐渐取代EEL

激光雷达产品可以从显性参数、实测性能表现及隐性指标等方面进行评估和比较。显性参数主要包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围、测距精准度、功耗等指标，而用户在实际使用过程中更为关注实测性能表现指标。 ToF和FMCW测距法并存是未来的市场趋势。激光雷达按照测距方法可以分为ToF测距法、FMCW测距法、以及三角测距法。目前车用市场主要采用ToF测距方案。但FMCW具有灵敏度高，抗干扰能力强，可长距离探测，功耗低等优点。未来随着FMCW激光雷达整机和上游产业链的成熟，ToF和FMCW测距方法将在市场上并存。 VCSEL未来有望逐渐取代EEL。根据激光器不同，激光雷达可以分为边缘发射EEL型、垂直发射VCSEL型和光子晶体表面发射半导体激光器PCESL等。相比于EEL，VCSEL无需再进行每个激光器的单独装调，且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合，提升光束质量，此外还有调制频率高、寿命长、单模工作稳定、易于实现低温漂系数等优点。近年来国内外多家VCSEL激光器公司开发了多层结VCSEL激光器，将其发光功率密度提升了5-10倍，结合其平面化所带来的生产成本和产品可靠性方面的收益，VCSEL未来将有望逐渐取代EEL。PCESL取长补短，兼具VCSEL和EEL优点，有望迎来商业化发展。 风险提示：自动驾驶和ADAS渗透率不及预期，自动驾驶感知层技术迭代风险，激光雷达成本下降不及预期。 1.激光雷达评估指标 激光雷达产品可以从显性参数、实测性能表现及隐性指标等方面进行评估和比较。 1）显性参数：指列示在产品参数表中的信息，主要包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围、测距精准度、功耗、集成度（体积及重量）等。 表1激光雷达显性参数包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围等指标 2）实测性能表现：指在用户在实际使用激光雷达的过程中所关注的探测性能，如实际探测距离、车辆及行人在不同距离下的点云密度，这些信息决定了无人驾驶汽车和服务型机器人对周围环境的有效感知距离。相比显性参数中的数据，用户会更加关注实测性能。但由于3D激光雷达产品作为近年来才踊跃于市场的新兴产品，能够参考的公开测试数据有限 3）隐性指标：包含了激光雷达产品的可靠性、安全性、使用寿命、成本控制、可量产性等，这些指标难以量化，缺乏公开信息。 2.ToF和FMCW测距并存是未来的市场趋势 激光雷达可以拆分成发射系统、接收系统、扫描系统和测距方式四大基础系统。激光雷达通过激光器和探测器组成的收发阵列，结合光束扫描，可以对广义机器人所处环境进行实时感知，获取周围物体的精确距离及轮廓信息，以实现避障功能。 激光雷达按照测距方法可以分为飞行时间（Time of Flight，ToF）测距法、基于相干探测的FMCW测距法、以及三角测距法等。其中ToF与FMCW能够实现室外阳光下较远的测程（100~250 m），是车载激光雷达的优选方案。随着市场的不断发展，激光雷达雷达使用场景越来越大，三角法雷达的原理限制无法满足更大场景的需求，而ToF原理激光雷达在远距离探测、全量程精度、采样速率、抗阳光干扰等方面具有天然优势，更加符合大场景多态应用的需求，ToF成为目前市场车载中长距激光雷达的主流方案。 图1激光雷达按测距方法可分为ToF、三角测距等方法 ToF法：即飞行时间测距方法，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计算出与目标物的距离数据，具有响应速度快、探测精度高的优势。缺点是容易受到环境光干扰和雷达间相互干扰，同时在探测距离、扫描和全天候工作方面存在劣势。此外，在实际应用中，ToF法还需要克服计时时间短对计时器精度要求高、脉冲发射器脉宽要求高、接收端保证信号不失真等难点。 图2 三角测距法：激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD上不同的位置。按照三角公式进行计算推导出被测物体的距离。 FMCW法：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。FMCW激光雷达具有可直接测量速度信息以及抗干扰（包括环境光和其他激光雷达）的优势。但FMCW技术难度高，探测远距离的损耗高，对信号处理、系统集成等方面要求高，因此价格也更高。 图3三角测距法工作原理 图4 FMCW激光雷达结构 ToF和FMCW激光雷达并存是未来的市场趋势。由于三角测距对远距离测距精度低，使用场景只能限制在室内短距离测距，因此目前车用市场主要采用ToF测距方案，如机械式、混合固态、固态等常见扫描方式均采用ToF原理进行测距，而FMCW具有灵敏度高，抗干扰能力强，可长距离探测，功耗低等优点。同时ToF和FMCW均可以实现室外阳光下较远的测程，未来随着FMCW激光雷达整机和上游产业链的成熟，ToF和FMCW测距方法将在市场上并存。 表2 FMCW具有灵敏度高，抗干扰能力强，可长距离探测等优点，但技术尚不成熟 3.VCSEL未来有望逐渐取代EEL 激光器是发射激光的装置，根据激光器不同，激光雷达可以分为：1）边缘发射EEL型；2）垂直发射VCSEL型；3）光子晶体表面发射半导体激光器PCESL等。 EEL激光器是目前的主流发射器。EEL具有高发光功率密度的优势，但EEL激光器因为其发光面位于半导体晶圆的侧面，使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤，往往只能通过单颗一一贴装的方式和电路板整合，而且每颗激光器需要使用分立的光学器件进行光束发散角的压缩和独立手工装调，极大地依赖产线工人的手工装调技术，生产成本高且一致性难以保障。 垂直腔面发射激光器VCSEL未来有望逐渐取代EEL。VCSEL发光面与半导体晶圆平行，具有面上发光的特性，其所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合，在精度层面由半导体加工设备保障，无需再进行每个激光器的单独装调，且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合，提升光束质量。同时，VCSEL还有调制频率高、寿命长、单模工作稳定、易于实现低温漂系数等优点。但劣势在于传统VCSEL激光器存在发光密度功率低的缺陷，导致只在对测距要求近的应用领域有相应的激光雷达产品（通常<50 m）。近年来国内外多家VCSEL激光器公司开发了多层结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。结合其平面化所带来的生产成本和产品可靠性方面的收益，VCSEL未来将有望逐渐取代EEL。 图5 EEL发光面位于侧面，而VCSEL发光面与半导体晶圆平行 PCESL取长补短，有望迎来商业化发展。光子晶体表面发射半导体激光器（PCESL）是垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边缘发射激光器（EEL）的集成。前者坚固耐用，但波长范围和功率不甚理想；后者具有宽广的波长范围，但制造成本高，且易损。PCESL将两者集成，使两者互为互补，解决了半导体激光器的速度、功率和成本难题，有望迎来商业化发展。 图6 PCESL是VCSEL和EEL的集成 4.风险提示 1）自动驾驶和ADAS渗透率不及预期 2）自动驾驶感知层技术迭代风险 3）激光雷达成本下降不及预期