激光雷達(dá)為何昂貴？如何降低成本
作者： 嶺緯科技發(fā)表時(shí)間：2021-03-10 09:25:57
為何激光雷達(dá)如此昂貴？
機(jī)械式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜
激光雷達(dá)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(dá)的工作來看，主要分成四大部分：1）激光發(fā)射部分：激勵(lì)源周期性地 驅(qū)動(dòng)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(hào)；3）掃描系統(tǒng)，以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)起來，實(shí)現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息；4）信息處理系統(tǒng)：接收 信號(hào)經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計(jì)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(dá)本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和核心部件的高價(jià)格決定激光 雷達(dá)短期價(jià)格，尤其是機(jī)械式激光雷達(dá)價(jià)格短期較高。
激光雷達(dá)部件較多，每個(gè)部件技術(shù)選擇的不同就會(huì)造成效果和成本的不同，這也帶來激光雷達(dá)技術(shù)路線的多元。激光雷達(dá)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(gè)核心技術(shù)，每個(gè)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(gè)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(dá)技術(shù)路線的不同。
掃描部件成本占比極高
機(jī)械激光雷達(dá)單組激光雷達(dá)就有極高的成本。Scala 目前量產(chǎn)的激光雷達(dá)是一款四線機(jī) 械激光雷達(dá)，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(dá)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(yùn)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(dá)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(dá)，采用非往復(fù)式掃描技術(shù)，基本可以等價(jià) 100 線束激光雷達(dá)，目前售價(jià)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(dá)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(dá)如何降本？
5 大核心技術(shù)優(yōu)化激光雷達(dá)
激光雷達(dá)降本的方式可以從 5 大核心技術(shù)去實(shí)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(dòng)部分技術(shù)的發(fā)展。測距也提出了 FMCW 的方式實(shí)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(dá)線束的要求從而降低整個(gè)系統(tǒng) 成本。
從機(jī)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(jī)械到固態(tài)是降本最為有效的手段。從前兩個(gè)激光雷達(dá)拆解可以看到激光雷達(dá)目前成本最大部分來自于掃描部分，所 以固態(tài)激光雷達(dá)替代機(jī)械式激光雷達(dá)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(dá)技術(shù)路線主要為機(jī)械、MEMS、Flash 和 OPA 四種。每個(gè)技術(shù)路線各有自 己的優(yōu)劣勢，同時(shí)也有自身亟待解決提升完善產(chǎn)品的核心痛點(diǎn)。從目前產(chǎn)品的成熟度來 看，MEMS 激光雷達(dá)將是當(dāng)下主流方案，OPA 潛力最大，F(xiàn)LASH 光探測痛點(diǎn)解決潛力也較為顯著。
機(jī)械激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高線束需要多個(gè)激光發(fā)射器，同時(shí)掃描系統(tǒng)依賴電機(jī)，部件、制造、 系統(tǒng)成本都極高。機(jī)械式激光雷達(dá)價(jià)格較高的原因：1）高線束需要多個(gè)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(jī)，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(jī)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(dá)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(dá)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(jià)格已經(jīng)可以達(dá)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(diǎn)是內(nèi)部集成了“可動(dòng)”的微型鏡面，采用靜電或電磁驅(qū)動(dòng)方式。采用 MEMS 微振鏡 簡單講就是以電機(jī)為主的掃描系統(tǒng)換成 MEMS 驅(qū)動(dòng)的鏡片，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)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(dá)的優(yōu)點(diǎn)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(dá)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(dá)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(dá)產(chǎn)品在消費(fèi)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(diǎn)，目前價(jià)格相對 MEMS 較高，遠(yuǎn)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(dá)像一個(gè)手電筒一樣，發(fā)射一個(gè)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(dòng)部件，更像是一個(gè)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(jí)方面，3D Flash 技術(shù)有天然的優(yōu)勢。Flash 激光雷達(dá)需要較高功 率的脈沖才能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)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(jià)格依然較高，Ouster 預(yù)計(jì)到 2024 年將量產(chǎn) ES2 產(chǎn)品，價(jià)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(dá)，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(jià)格下降到 250 美金。光學(xué)相控陣 OPA 固態(tài)激光雷達(dá)原理是多處振動(dòng)產(chǎn)生的波 相互疊加，有的方向互相增強(qiáng)，有的方向抵消，采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光 源發(fā)射的時(shí)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(shí)間較為漫長。Quanergy 是采用 OPA 激 光雷達(dá)的典型代表，公司預(yù)計(jì)隨著技術(shù)成熟價(jià)格有望達(dá)到 250 美金左右。
高線束機(jī)械激光雷達(dá)基本仍在 2000 美金以上，隨著固態(tài)激光雷達(dá)的推廣，價(jià)格可以下沉到 500 美金以下。從目前市面上的主要激光雷達(dá)來看，機(jī)械激光雷達(dá)價(jià)格浮動(dòng)較大， 但高線束的機(jī)械激光雷達(dá)基本在 2000 美金以上。固態(tài)激光雷達(dá)多數(shù)仍處于推廣中，集中出貨預(yù)計(jì)在 2022 年以后，MEMS 激光雷達(dá)基本可以將價(jià)格穩(wěn)定在 500-1000 美金。 我們認(rèn)為機(jī)械激光雷達(dá)受制于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝，穩(wěn)態(tài)價(jià)格依然會(huì)在 1000 美金以 上，而固態(tài)激光雷達(dá)有望在 2025 年平均價(jià)格實(shí)現(xiàn) 500 美金，隨著 OPA 等技術(shù)成熟未來價(jià)格有望下沉到 200-300 美金。