Flash激光雷达五个核心问题（完整文档）

下面是小编为大家整理的Flash激光雷达五个核心问题（完整文档）,供大家参考。

　目录

　1. Flash 激光雷达的原理和进展

　............................................... 6 2. 问题一：怎样才算是性能优异的 Flash 激光雷达？

　.......... 8 3. 问题二：发射端为什么要用 VCSEL？

　............................... 12 4. 问题三：为什么 Flash 激光雷达要用 SPAD？

　................ 16 5. 问题四：Flash 激光雷达的光学系统有什么变化？

　......... 21 6. 问题五：Flash 激光雷达什么时候能够普及？

　................. 23 7. Flash 激光雷达产业链相关重点公司

　................................. 27

　图表目录

　图 1：激光雷达技术路线分类

　.......................................................................................... 6 图 2：Flash 激光雷达的内部结构非常简单，没有扫描模块

　..................................... 6 图 3：Ouster 纯固态 Flash 激光雷达 DF 系列产品路线图

　...................................... 7 图 4：Ouster 用于 DF 系列 Flash 激光雷达的 SPAD 芯片

　...................................... 8 图 5：Ouster 用于 OS 系列机械旋转激光雷达的 SPAD 芯片（集成数字信号处理系统）

　................................................................................................................... 8 图 6：Flash 激光雷达的三大性能以及影响三大性能的主要因素汇总

　..................... 9 图 7：影响激光雷达探测距离的主要因素及其关系分析

　........................................... 10 图 8：Flash 激光雷达角分辨率和视场角对激光雷达有效探测距离的影响

　.......... 11 图 9：各类型激光雷达所应该选择的激光光源类型（饼图深色部分代表了合适程度）

　................................................................................................................. 12 图 10：长光华芯激光雷达专用 VCSEL 芯片功率密度约 1000-1200W/mm 2 . 13图 11：欧司朗激光雷达专用 EEL 芯片功率密度最高可达 60000W/mm 2 ............. 14 图 12：提高 VCSEL 输出功率的三种方式分析 ........................................................... 15 图 13：2017-2019 年全球 VSCEL 市场份额

　............................................................ 16 图 14：各类型光电探测器的特征比较

　......................................................................... 17 图 15：增益越高，信噪比越大，光电探测器的探测效果越好

　................................ 17 图 16：SPA D 的单位面积像素数远高于 SiPM

　................................................. 18 图 17：SiPM（MPPC）的光强识别能力更高，信号提取速度更快，所以时间分辨率更高

　......................................................................................................................................... 18 图 18：不同探测器在时间分辨率、灵敏度和像素数上的差异

　................................ 19 图 19：从 2013 年至今用于激光雷达的已上市商用 SPAD 产品

　........................... 20 图 20：Flash 激光雷达的发射和接收光学系统核心元器件

　..................................... 21 图 21：点扫描式激光雷达收发光学系统核心元器件

　................................................. 22 图 22：线扫描式激光雷达收发光学系统核心元器件

　................................................. 23 图 23：滨松光子计划将 SPAD/SiPM 的 PDE 从 2019 年的 7%在 2023 年提升至 20%以上

　..................................................................................................................................... 25 图 24：以 Ibeo 长距离 Flash 激光雷达为基准，假设视场角不变，VCSEL 和 SPAD 性能提升对探测距离影响的敏感性分析

　............................................................................ 25 图 25：Flash 激光雷达 BOM 原材料成本拆分估算

　................................................. 26 图 26：机械旋转激光雷达原材料 BOM 成本构成

　..................................................... 26

　图 27：Flash 产线自动化程度高，成本结构接近一般汽车电子产品

　.................... 26 图 28：LeddarTech 的核心产品是 Flash 激光雷达信号处理 SoC 和信号处理软件 ................................................................................................................. 28 图 29：炬光供给大陆集团的 VCSEL 激光雷达面光源单价变化趋势

　..................... 30 表 1：主流 Flash 激光雷达厂商所发布的产品性能参数

　............................................. 7 表 2：EEL 和 VCSEL 特性对比

　...................................................................................... 13 表 3：Lumentum 在 2022 年新发布的专用于激光雷达的 VCSEL 阵列详细参数14表 4：主流专用于车载激光雷达的商用 SiPM 性能参数

　........................................... 20 表 5：目前主流激光雷达专用 SPAD 性能参数 ........................................................... 20 表 6：各类型激光雷达所需要用到的核心光学组件

　................................................... 22 表 7：主流前装上车的前向激光雷达产品参数

　........................................................... 24 表 8：炬光科技已经推出的激光雷达发射模组产品参数

　........................................... 30 表 9：激光雷达行业重点公司估值表 ............................................................

　 1. Flash 激光雷达的原理和进展 本篇行业深度主要研究 Flash

　激光雷达。一方面，虽然目前获得车厂前装定点比较多的激光雷达方案以半固态中的 MEMS 和转镜/棱镜方案为主，但是由于 Flash

　激光雷达是真正意义上的纯固态激光雷达，未来技术成熟之后在规模化、成本、可靠性上都相较于目前最主流的半固态激光雷达有明显优势，是激光雷达远期最主流的技术形态，所以除了既有的 Ibeo、、Ouster 、大陆集团等 Flash 技术阵营的公司，目前半固态激光雷达阵营的厂商速腾、禾赛、华为等明星激光雷达厂商都在加大在

　Flash

　路线上的研究和投入。另一方面，近期已（拟）上市的多家 A 股公司长光华芯、炬光科技、奥比中光其汽车业务均和 Flash激光雷达技术路线有紧密关联，因此我们本篇深度着重选择 Flash 激光雷达进行深入研究。

　图 1：激光雷达技术路线分类

　资料来源：申万宏源研究

　Flash 激光雷达从原理上来讲类似于摄像头，不同点在于 Flash

　激光雷达接收其发射的主动光，而摄像头是接收环境反射的被动光，所以前者多了一个发射模块。Flash 激光雷达在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。而半固态和固态激光雷达发射模块发射出来的激光是线状的，需要通过扫描部件往复运动把线变成面打在需要探测的物体表面。由于 Flash

　激光雷达没有任何扫描部件，所以相比于机械旋转和半固态激光雷达非常容易过车规。

　图 2：Flash 激光雷达的内部结构非常简单，没有扫描模块

　Ouster，申万宏源研究

　大陆集团已经推出两代短距固态

　Flash

　激光雷达：短距激光雷达

　SRL121（探测距离 1-10 米）、固态短距激光雷达

　HFL110（50 米以内）。HFL-110 客户主要是丰田，搭载至新款

　Mirai

　和雷克萨斯新款

　LS500

　系列车型中，用作侧向补盲激光雷达，单价大约 5000-8000 元人民币，已经在 2020 年量产。（备注：大陆集团的 Flash 激光雷达技术主要源于大陆集团在 2016 年收购的 Flash 激光雷达公司 Advanced

　Scientific Concepts）

　德国 Ibeo 公司推出了 Flash 激光雷达 ibeoNEXT：采用了 AMS 的 VCSEL，最先将在长城 WEY 摩卡上量产（原计划 2021 年量产，目前预计推迟至 2022 年）。采埃孚收购了 Ibeo 大约 40%股权，Ibeo 激光雷达的生产制造由采埃孚承担。

　表 1：主流 Flash 激光雷达厂商所发布的产品性能参数 型号 SR L 121

　H FL 110

　ib e o N EXT（长距）

　ib e o N EXT（短距）

　ib e o N EXT（近距）

　厂商 大陆集团 大陆集团 I beo

　I beo

　I beo

　发布年份 2017

　年 2019

　年 11

　月 2021

　年 2021

　年 2021

　年 波长 905nm

　1064nm

　885nm

　885nm

　885nm

　探测距离 10m

　22m@10% 反射率 140m@10% 反射率 40m@10% 反射率 25m@10% 反射率 水平视场角 27 ° 120 ° 11 . 2 ° 60 ° 120 ° 垂直视场角 11 ° 30 ° 5 . 6 ° 30 ° 60 ° 像素数量 N /A 128

　x 32

　(4096) 像素

　128

　x 80

　(10240) 像素

　128

　x 80

　(10240) 像素

　128

　x 80

　(10240) 像素

　角分辨率 N /A 0 . 94 °/像素 0 . 09 °x 0 . 07 ° 0 . 47 °x 0 . 38 ° 0 . 94 °x 0 . 75 ° 帧率 100Hz

　25Hz

　25Hz

　25Hz

　25Hz

　大陆集团官网，Ibeo 官网，申万宏源研究

　美国 Ouster 公司推出的 DF 系列激光雷达即 Flash 激光雷达：DF 系列一共有短、中、远三个类型，2022Q1 已经把第一批 DF 系列 A 样发给车厂，并计划向另外 30 多家 OEM和 1 家 Tier1 送出升级版 A 样，最快预计 2025 年量产。Ouster 预计其推出的 DF 系列可以在车上安装 5 个（1 个前向 Flash 激光雷达+4 个侧向激光雷达），5 个激光雷达总价可控制在 1000 美元以内。

　图 3：Ouster 纯固态 Flash 激光雷达 DF 系列产品路线图

　Ouster 官网，申万宏源研究

　和其他

　Flash

　激光雷达厂商不同的是 Ouster 还自研了 SPAD

　芯片：2022

　年 3 月 Ouster 发布了 Chronos 芯片，计划在 2022

　年底完成 Chronos

　芯片流片，并在 2023 年将该芯片集成到 DF 系列首批样品中。

　图 4：Ouster 用于 DF 系列 Flash 激光雷达的 SPAD芯片 图

　5：Ouster

　用于

　OS

　系列机械旋转激光雷达的 SPAD 芯片（集成数字信号处理系统）

　Ouster 官网，申万宏源研究 Ouster 官网，申万宏源研究

　2. 问题一：怎样才算是性能优异的

　Flash

　激光雷达？ 对于用于前向远距离探测的激光雷达，如果能够同时实现“看得远”、“看得清”、 “看得广”即为性能优异。“看得远”指探测距离远，探测距离至少达到

　150m@10%反射率，最好能够探测到 250 米处的目标物体。“看得清”一方面指角分辨率低，即要求能

　够看清楚 150~200 米范围内的行人、车辆等其他尺寸较小的障碍物；另一方面指帧率高，即能够在 1 秒内获取张数尽可能多的点云图像，表 1 中的大部分 Flash 激光雷达的帧率为 25Hz。“看得广”指视场角 FOV 足够大，以拿到前装定点项目最多的速腾聚创 M1 为例，其水平 FOV 为 120°，垂直 FOV 为 25 °，可以推测能够作为乘用车前装前雷达的激光雷达 FOV 也应该满足上述水平。

　图 3：Flash 激光雷达的三大性能以及影响三大性能的主要因素汇总

　看得远——探测距离：Fla sh 激光雷达的探测距离主要受 VCSEL 激光发射功率、SPAD最小可探测功率、激光发散角三个因素影响。

　（1）

　激光发射功率越高，探测距离越远；激光发射功率的提高主要取决于激光芯片的光功率密度。若发射功率提高 1 倍，则激光雷达探测距离将提升 19%。而激光芯片的发射功率是“激光芯片功率密度”和“发光面积”两者的乘积，发光面积由于激光雷达体积、激光芯片技术、成本、光学系统设计难易程度四个方面原因的制约，提升空间有限；所以激光芯片的光功率密度成为提高激光发射功率从而提升激光雷达探测距离的关键指标。

　（2）

　光电探测器最小可探测功率越小，探测距离越远；最小可探测功率取决于

　P DE和暗计数。若 P DE 提高 1 倍，即最小可探测功率减小 50%，则激光雷达探测距离将提升 19%。光电探测器的基本功能是把入射光功率转化为相应的光电流。最小可探测功率表示 APD、SPAD、S iPM 等光电探测器所能探测到的最小入射光功率，入射光功率低于这个值则将被噪声淹没无法被探测器探测到；NEP 代表在信噪比为 1 时所需要的最小输入光信号功率，所以 NEP 代表了最小可探测功率。根据下图中的公式，光子探测效率 PDE 越高，

　暗计数越低，NEP 越低——其中 PDE 指 SPAD 吸收并触发雪崩的光子数和入射光子总数的百分比；“暗计数率”是指在没有光子射入时，由于热运动或者其他干扰等条件导致的一次电子雪崩，被错误的记录下来，可以简单理解为“噪声”。因此 PDE 和暗计数成为衡量 SPAD 光电探测器灵敏度最重要的指标（APD 对应的该指标名称为量子效率）。由此可计算，若 PDE 提高 1 倍，最小可探测功率将降低 50%，从而激光雷达探测距离将提升 19%。

　（3）

　激光发散角越小，探测距离越远；激光发散角取决于发射光学系统的准直性能。若发散角减小 50%，则激光雷达探测距离将提升 41%。不论 VCSEL 还是 EEL，激光从激光芯片发射出来都存在一定的发散角θ，发散角直接影响了激光发射到目标物体表面的光斑面积（=π*（R*tanθ）

　2 ）从而影响了激光打在目标物体上的光功率密度，最终影响从目标物体表面反射回探测器表面的入射...

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