作者 / 張竹

編輯 / 王德芙

出品 / 汽車(chē)之心

過(guò)去一年，激光雷達(dá)迎來(lái)資本市場(chǎng)和商業(yè)化應(yīng)用的雙重利好：

Velodyne 和 Luminar 先后登陸美股，后者市值已經(jīng)高達(dá)百億美元。

Aeva、Innoviz 和 Ouster 三家也正在 SPAC 上市的進(jìn)程中。

國(guó)內(nèi)的禾賽科技已經(jīng)提交了科創(chuàng)板招股書(shū)，其估值達(dá)到 133 億元人民幣。

量產(chǎn)層面，蔚來(lái)的旗艦新車(chē) ET7 和小鵬第三款車(chē) P5，都準(zhǔn)備創(chuàng)造行業(yè)先例，把激光雷達(dá)配置在直接面向普通消費(fèi)者的新車(chē)型上。

作為一類(lèi)高性能傳感器，激光雷達(dá)迎來(lái)了歷史性的巨大發(fā)展機(jī)遇。

不過(guò)在大規(guī)模商業(yè)化之前，激光雷達(dá)必須解決幾個(gè)核心的問(wèn)題： 

• 高線(xiàn)數(shù)高點(diǎn)頻激光雷達(dá)當(dāng)前價(jià)格動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)元，價(jià)格亟需降低；

• 必須滿(mǎn)足車(chē)規(guī)要求，使用壽命和耐用性需要大幅提升。 

某國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)企，在面對(duì)激光雷達(dá)廠商時(shí)甚至明確提出，能否做到「上百線(xiàn)數(shù)規(guī)格+數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)頻+百元美金級(jí)價(jià)格」。 

要解決這些問(wèn)題，滿(mǎn)足大規(guī)模前裝量產(chǎn)的要求，最關(guān)鍵的路徑是芯片化，甚至更進(jìn)一步，做到集成化。 

1、激光雷達(dá)的芯片化進(jìn)程 

目前包括 Velodyne、Luminar 以及禾賽科技在內(nèi)，國(guó)內(nèi)外多家主流的激光雷達(dá)公司都在進(jìn)行芯片化的研發(fā)工作。

比如 Velodyne 在 2017 年發(fā)布的 Velarray。

Velarray 采用了其自研的 Resonant Mirror 共振鏡技術(shù)。

同時(shí)，Velodyne 還與 EPC 合作開(kāi)發(fā)了激光發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)與電源管理模塊。

禾賽科技在今年 1 月提交的招股書(shū)則透露了，其正在研發(fā)多通道激光驅(qū)動(dòng)芯片、多通道模擬前端芯片以及高速高精度波形數(shù)字化技術(shù)與芯片。

激光雷達(dá)上游的感知元件供應(yīng)商，在芯片化方面也早有大量的實(shí)踐。

比如，意法半導(dǎo)體的這顆 VL6180X，就可以看作是一個(gè)激光雷達(dá)。

這顆芯片最早被用在蘋(píng)果的 iPhone 7 Plus 中，其有效測(cè)量距離只有 10 厘米，主要是貼近耳朵時(shí)手機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉屏幕。

這顆芯片的價(jià)格大約 1 美元。

索尼在 2020 年 12 月舉辦的 IEDM 大會(huì)上推出 120 萬(wàn)像素的 ToF 相機(jī)傳感器。

如此高的像素，其潛在用途自然包含了車(chē)載激光雷達(dá)方面的應(yīng)用。

因此，無(wú)論從激光雷達(dá)廠商的角度，還是上游供應(yīng)商的角度，目前針對(duì)激光雷達(dá)芯片化的技術(shù)已有普遍的投入。

2、激光雷達(dá)降本王道：將分立光學(xué)芯片與其配套元件高度集成

但如果我們對(duì)激光雷達(dá)的成本構(gòu)成進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)并非所有芯片化技術(shù)都能給激光雷達(dá)帶來(lái)大幅性能提升和成本下降。

激光雷達(dá)降本的關(guān)鍵，并不是對(duì)電學(xué)芯片的集成，而在于對(duì)光學(xué)芯片的集成。

激光雷達(dá)本質(zhì)是一個(gè)由多種部件構(gòu)成的光機(jī)電系統(tǒng)。

其中，光電系統(tǒng)包括發(fā)射模組、接收模組、測(cè)時(shí)模組（TDC/ADC）和控制模組四部分構(gòu)成。

從下圖我們可以看到，光電系統(tǒng)成本約占激光雷達(dá)整機(jī)成本的70%。

在光電系統(tǒng)中，測(cè)時(shí)模組與控制模組的占比，無(wú)論從體積、成本還是重量上來(lái)看，都是極小的部分。 

我們甚至可以進(jìn)一步理解為，激光雷達(dá)最核心的是光學(xué)芯片，驅(qū)動(dòng)、測(cè)時(shí)、控制都是輔助光學(xué)芯片工作的模組，其占據(jù)成本的比例也很小。

所以驅(qū)動(dòng)、測(cè)時(shí)、控制模塊的芯片化無(wú)法帶來(lái)激光雷達(dá)產(chǎn)品形態(tài)和成本的質(zhì)變。

換句話(huà)說(shuō)，下一個(gè)階段激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、滿(mǎn)足車(chē)規(guī)要求，并且推動(dòng)降本，不僅僅是要實(shí)現(xiàn)測(cè)時(shí)模組和控制模組的芯片化，更重要的是要實(shí)現(xiàn)光學(xué)芯片的集成化。

我們傾向認(rèn)為，只有對(duì)光學(xué)芯片進(jìn)行集成的激光雷達(dá)，才可以稱(chēng)為是集成式激光雷達(dá)。

據(jù)我們了解，目前在業(yè)內(nèi)，僅有少數(shù)廠商在進(jìn)行光學(xué)芯片的集成化工作，比如激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司銳馳智光（曾用名飲冰科技）。

上圖是銳馳智光自主研發(fā)的集成芯片及收發(fā)模組：

• 左上為一元硬幣及 32 線(xiàn)集成發(fā)射芯片，左下為 32 線(xiàn)集成發(fā)射芯片；

• 中上為 32 線(xiàn)集成發(fā)射模組，中下為 32 線(xiàn)集成接收模組 

• 右上為 64 線(xiàn)集成發(fā)射模組，右下為 64 線(xiàn)集成接收模組。

相較于傳統(tǒng)分立式激光雷達(dá)，搭載集成收發(fā)模組的激光雷達(dá)：

• 在生產(chǎn)工藝上，將數(shù)十個(gè)光學(xué)通道在集成光學(xué)芯片上一次制作完成，用集成式模組替代了需要逐一通道進(jìn)行調(diào)試的分立式模組，大幅度降低了物料成本和調(diào)試成本，降本幅度達(dá)到 70% 以上，并同時(shí)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、一致性。

• 在產(chǎn)品形態(tài)上，通過(guò)高度集成化，將減少60% 以上的非機(jī)械部分的體積和重量。

隨著激光雷達(dá)線(xiàn)數(shù)的增加，光學(xué)芯片集成化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)則更加明顯。

集成式激光雷達(dá)的體積、重量、成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分立式激光雷達(dá)，并且線(xiàn)數(shù)提升時(shí)基本保持不變。

集成式激光雷達(dá)不論線(xiàn)數(shù)多少，只需 1 到 2 次調(diào)試，其調(diào)試成本僅占總成本的 1% 左右，克服了傳統(tǒng)分立式激光雷達(dá)隨線(xiàn)數(shù)增加調(diào)試成本劇增的痛點(diǎn)。

這些技術(shù)進(jìn)步將為激光雷達(dá)的大規(guī)模量產(chǎn)和降本帶來(lái)質(zhì)變。 

假如我們將基于分立發(fā)射、接收模組的分立式激光雷達(dá)的階段，稱(chēng)為激光雷達(dá)的 1.0 時(shí)代。 

那么，基于集成發(fā)射、接收模組的集成式激光雷達(dá)，則開(kāi)啟了激光雷達(dá)的2.0 時(shí)代。

而集成度更高的全固態(tài)激光雷達(dá)，將帶我們進(jìn)入激光雷達(dá)的 3.0 時(shí)代。

3、各路激光雷達(dá)百花齊放，大規(guī)模量產(chǎn)何時(shí)到來(lái)？

雖然現(xiàn)階段，旋轉(zhuǎn)式、MEMS、轉(zhuǎn)鏡式、棱鏡式等技術(shù)路線(xiàn)的激光雷達(dá)多種多樣，百花齊放。

但真正通過(guò)車(chē)規(guī)級(jí)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的，僅有 2017 年投產(chǎn)的轉(zhuǎn)鏡式的 Valeo SCALA 一款。

半固態(tài)激光雷達(dá)，多數(shù)以犧牲激光雷達(dá)的水平視場(chǎng)角、點(diǎn)頻等性能參數(shù)，來(lái)?yè)Q取成本降低，以及體積與重量等參數(shù)的優(yōu)化。 

而全固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)路線(xiàn)則只有成像式（含 Flash 激光雷達(dá)）和 OPA 兩種。

OPA 在收發(fā)單元上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大，成本高昂，尚未走出實(shí)驗(yàn)室，短期內(nèi)商業(yè)化難度巨大。

這也是此前激光雷達(dá)領(lǐng)域的獨(dú)角獸公司 Quanergy 走向沉默的原因之一。

成像式激光雷達(dá)的關(guān)鍵，是面陣發(fā)射或接收芯片，其中被最多提及的 Flash 方案探測(cè)距離受限、視場(chǎng)角和點(diǎn)頻不足。

集成式激光雷達(dá)通過(guò)將光學(xué)芯片集成化，大幅降低了產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)部分的重量和體積，從而避免旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)中軸承受力過(guò)大的問(wèn)題，可以提升激光雷達(dá)的使用壽命。

基于光學(xué)芯片集成的收發(fā)模組，可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式、轉(zhuǎn)鏡式等激光雷達(dá)，推動(dòng)集成式激光雷達(dá)產(chǎn)品滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)要求，并且集成光學(xué)芯片由光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高產(chǎn)能，結(jié)合其只需一次調(diào)試的優(yōu)勢(shì)使得高線(xiàn)數(shù)高點(diǎn)頻的激光雷達(dá)量產(chǎn)不再困難。 

同時(shí)在線(xiàn)數(shù)和點(diǎn)頻增加時(shí)，價(jià)格漲幅不大，從而使高性能的車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品也可以具備高性?xún)r(jià)比。 

據(jù)透露，銳馳智光已經(jīng)于去年 9 月成功實(shí)現(xiàn) 32 線(xiàn)的集成收發(fā)芯片量產(chǎn)，其集成式激光雷達(dá)系列產(chǎn)品將在近期推出。

這可能是現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)唯一的集成式激光雷達(dá)產(chǎn)品。

鳴謝：汽車(chē)之心特約顧問(wèn)周彥武對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)。

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