激光雷達為何昂貴？如何降低成本
作者： 嶺緯科技發(fā)表時間：2021-03-10 09:25:57
為何激光雷達如此昂貴？
機械式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜
激光雷達主要包括激光發(fā)射部分、掃描系統(tǒng)、激光接受部分和信息處理部分，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。從激光雷達的工作來看，主要分成四大部分：1）激光發(fā)射部分：激勵源周期性地 驅(qū)動激光器，發(fā)射激光脈沖，激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)， 最后通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標(biāo)物體；2）激光接收系統(tǒng)：經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)， 光電探測器接受目標(biāo)物體反射回來的激光，產(chǎn)生接收信號；3）掃描系統(tǒng)，以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)起來，實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息；4）信息處理系統(tǒng)：接收 信號經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性 等特性，最終建立物體模型。激光雷達本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和核心部件的高價格決定激光 雷達短期價格，尤其是機械式激光雷達價格短期較高。
激光雷達部件較多，每個部件技術(shù)選擇的不同就會造成效果和成本的不同，這也帶來激光雷達技術(shù)路線的多元。激光雷達從測距方式、發(fā)射方式、光束操作方式、探測方式以 及數(shù)據(jù)處理方式可以分為 5 個核心技術(shù)，每個核心技術(shù)均有不同的技術(shù)分支，效果、成 本、當(dāng)前量產(chǎn)難度等均有不同，在 5 個核心技術(shù)上不同的分支技術(shù)選取也導(dǎo)致了各家激 光雷達技術(shù)路線的不同。
掃描部件成本占比極高
機械激光雷達單組激光雷達就有極高的成本。Scala 目前量產(chǎn)的激光雷達是一款四線機 械激光雷達，主要產(chǎn)品包括激光模塊、光學(xué)模塊和主板，其中激光單元成本占比 23%、 光學(xué)單元占比 13%、激光硬件占比 10%、主板占比 45%。作為四線激光雷達可以理解 為一組激光發(fā)射器，從成本來看激光單元以及對應(yīng)后續(xù)運算、光探測模塊的成本占比基 本相當(dāng)
隨著線束提升，即便是激光雷達對應(yīng)的光學(xué)模塊（包括掃描系統(tǒng)）成本占比依然是最大的。Livox Horizon 是大疆旗下最新一代激光雷達，采用非往復(fù)式掃描技術(shù)，基本可以等價 100 線束激光雷達，目前售價為 800 美金。根據(jù) Systemplus Consulting 的測算分 拆，光學(xué)模組在其中成本占比達到 54%，而發(fā)射模塊、接收模塊成本占比分別在 7%和 4%，其他成本占比較大是 MCU 模塊。
激光雷達如何降本？
5 大核心技術(shù)優(yōu)化激光雷達
激光雷達降本的方式可以從 5 大核心技術(shù)去實現(xiàn)降本，其中掃描方式的改變以及算法優(yōu)化是較為重要的降本手段。掃描系統(tǒng)成本占比較高，掃描系統(tǒng)的降本是最主流的方式。 探測和發(fā)射階段也具有效果和成本的矛盾，尤其關(guān)鍵技術(shù) InGaSa 基底以及 SPAD 等能 有突破將極大推動部分技術(shù)的發(fā)展。測距也提出了 FMCW 的方式實現(xiàn)測距，但目前技 術(shù)尚不成熟且最終成本下降潛力沒有 TOF 大。算法軟件層面具備較大的優(yōu)化空間，通 過算法的提升可以降低對硬件的依賴，比如減少激光雷達線束的要求從而降低整個系統(tǒng) 成本。
從機械到固態(tài)，降本效果最為顯著
掃描部件是最大成本單元也直接影響到性能，掃描部件從機械到固態(tài)是降本最為有效的手段。從前兩個激光雷達拆解可以看到激光雷達目前成本最大部分來自于掃描部分，所 以固態(tài)激光雷達替代機械式激光雷達成為降低成本的必然選擇。根據(jù)掃描方式的不同， 目前激光雷達技術(shù)路線主要為機械、MEMS、Flash 和 OPA 四種。每個技術(shù)路線各有自 己的優(yōu)劣勢，同時也有自身亟待解決提升完善產(chǎn)品的核心痛點。從目前產(chǎn)品的成熟度來 看，MEMS 激光雷達將是當(dāng)下主流方案，OPA 潛力最大，F(xiàn)LASH 光探測痛點解決潛力也較為顯著。
機械激光雷達實現(xiàn)高線束需要多個激光發(fā)射器，同時掃描系統(tǒng)依賴電機，部件、制造、 系統(tǒng)成本都極高。機械式激光雷達價格較高的原因：1）高線束需要多個激光發(fā)射器，帶 來成本較高；2）掃描系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)電機，一方面加大了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，另一方面高可靠性的電機本身成本較高；3）系統(tǒng)的綜合制造成本較高。以 Velodyne 的 64 線激光雷 達為例，采用了 16 組激光發(fā)射器以及 2 組激光接收器，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。
MEMS 半固態(tài)激光雷達供應(yīng)鏈最為成熟，目前是量產(chǎn)產(chǎn)品的首選，當(dāng)前階段產(chǎn)品價格已經(jīng)可以達到 500 美金-1000 美金。MEMS 微振鏡本質(zhì)上是一種硅基半導(dǎo)體元器件，其特 點是內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面，采用靜電或電磁驅(qū)動方式。采用 MEMS 微振鏡 簡單講就是以電機為主的掃描系統(tǒng)換成 MEMS 驅(qū)動的鏡片，實現(xiàn)激光雷達的掃描。 MEMS 作為較為成熟的半導(dǎo)體元件具備大規(guī)模生產(chǎn)后成本下降的特性。MEMS 激光雷 達的優(yōu)點在于：1）MEMS 微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數(shù)量，極大地降低成 本；2）MEMS 激光雷達結(jié)構(gòu)精巧，大幅下降尺寸；3）MEMS 微振鏡并不是為激光雷 達而誕生的器件，它已經(jīng)在投影顯示領(lǐng)域商用化應(yīng)用多年，供應(yīng)鏈較為成熟。
Flash 激光雷達產(chǎn)品在消費電子領(lǐng)域產(chǎn)品成熟度較高，但在車載領(lǐng)域需要解決高能量發(fā)射的痛點，目前價格相對 MEMS 較高，遠期仍有潛力下探到 500 美金以下。Flash 顧 名思義，就是「閃光」，這種固態(tài)激光雷達像一個手電筒一樣，發(fā)射一個面陣光，再通過 高靈敏度的傳感器繪制環(huán)境圖像。FLASH 激光類 3D Flash 技術(shù)的天然優(yōu)勢在于: 首先 是全固態(tài)，沒有任何移動部件，更像是一個半導(dǎo)體產(chǎn)品。如此一來，在大批量生產(chǎn)從而 降低成本、通過車規(guī)級方面，3D Flash 技術(shù)有天然的優(yōu)勢。Flash 激光雷達需要較高功 率的脈沖才能實現(xiàn)較遠距離的探測，主要解決方法是采用高功率的固態(tài)激光發(fā)射器，或采用 InGasa 材質(zhì)的 SPAD 作為探測器，簡單講就是提升發(fā)射端功率或提高接收端的能 力，目前這兩種途徑成本均較為昂貴。目前 Flash 產(chǎn)品價格依然較高，Ouster 預(yù)計到 2024 年將量產(chǎn) ES2 產(chǎn)品，價格為 600 美金，而且隨著技術(shù)的優(yōu)化，將有望下探到 100 美金以下。
OPA 固態(tài)激光雷達，潛力最大，但沒有成熟產(chǎn)業(yè)鏈支持，難度較高，Quanergy 預(yù)期未來有望價格下降到 250 美金。光學(xué)相控陣 OPA 固態(tài)激光雷達原理是多處振動產(chǎn)生的波 相互疊加，有的方向互相增強，有的方向抵消，采用多個光源組成陣列，通過控制各光 源發(fā)射的時間差，可以合成角度靈活、精密可控的主光束。OPA 光學(xué)相控陣的核心是相 控陣單元目前世面上并沒有成熟的技術(shù)，突破時間較為漫長。Quanergy 是采用 OPA 激 光雷達的典型代表，公司預(yù)計隨著技術(shù)成熟價格有望達到 250 美金左右。
高線束機械激光雷達基本仍在 2000 美金以上，隨著固態(tài)激光雷達的推廣，價格可以下沉到 500 美金以下。從目前市面上的主要激光雷達來看，機械激光雷達價格浮動較大， 但高線束的機械激光雷達基本在 2000 美金以上。固態(tài)激光雷達多數(shù)仍處于推廣中，集中出貨預(yù)計在 2022 年以后，MEMS 激光雷達基本可以將價格穩(wěn)定在 500-1000 美金。 我們認為機械激光雷達受制于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝，穩(wěn)態(tài)價格依然會在 1000 美金以 上，而固態(tài)激光雷達有望在 2025 年平均價格實現(xiàn) 500 美金，隨著 OPA 等技術(shù)成熟未來價格有望下沉到 200-300 美金。