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（报告出品方：申万宏源研究）

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。

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。

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SRL（探测距离1-10米）、固态短距激光雷达HFL（50米以内）。HFL-客户主要是丰田，搭载至新款Mirai和雷克萨斯新款LS系列车型中，用作侧向补盲激光雷达，单价大约0-元人民币，已经在年量产。（备注：大陆集团的Flash激光雷达技术主要源于大陆集团在年收购的Flash激光雷达公司AdvancedScientificConcepts）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（原计划年量产，目前预计推迟至年）。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。

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，Q1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美元以内。

和其他Flash激光雷达厂商不同的是Ouster还自研了SPAD芯片：年3月Ouster发布了Chronos芯片，计划在年底完成Chronos芯片流片，并在年将该芯片集成到DF系列首批样品中。

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m

10%反射率，最好能够探测到米处的目标物体。“看得清”一方面指角分辨率低，即要求能够看清楚~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。“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°，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。

看得远——探测距离：Flash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PDE和暗计数。若PDE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、SiPM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。

（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光功率。激光雷达的发射光学系统中一般有准直镜和扩束镜，能够减小激光的发散角。但是即使光学系统的准直性能再好，激光光束也不可能完全准直到0，始终存在一定的发散角，不可能完全是平行光，光学系统只可能尽可能减小发散角。VCSEL的远场发散角一般为25°，如果不进行准直，传播到米处时光斑的半径就会变成47米，由此可见通过准直减小光束发散角的重要性。

看得广——视场角：Flash激光雷达的视场角FOV主要取决于焦距和SPAD尺寸，原理可类比于摄像头，摄像头的视场角主要取决于焦距和CMOS尺寸。Flash激光雷达成像原理和摄像头非常相似，在接收视场角的影响因素上也可以借助摄像头类比来帮助理解：对于摄像头，焦距越长（由聚焦透镜进行调节），图像传感器CMOS尺寸半径拥有的像素数越低，视场角FOV越小；对于Flash激光雷达，焦距越长，光电探测器SPAD尺寸半径所拥有的像素数越低，FOV越小。

看得清——角分辨率和帧率：Flash激光雷达的角分辨率由视场角和像素数决定，角分辨率越低越好，因此可以通过缩小视场角和提高SPAD像素数量两种方式缩小角分辨率。（1）角分辨率：激光雷达输出的图像也被称为“点云”图像，相邻两个点之间的夹角就是角分辨率。Flash激光雷达的角分辨率=视场角/像素数量。角分辨率的数值越小越好，因此为了减少数值提升角分辨率能力，需要减小视场角，增加探测器阵列的像素数量。（2）帧率：一幅点云图像代表一帧，对于机械旋转/半固态激光雷达，帧率即代表一秒钟内激光雷达电机旋转的圈数，也就是每秒钟完成一圈扫描的次数；对于Flash激光雷达，帧率代表每秒激光雷达获取前方点云图像的次数，所以帧率可以理解为激光雷达在时间维度上的分辨率，帧率越高，实时性越强。

但是在设计Flash激光雷达视场角大小的时候更多是由“看得清”即“角分辨率”所决定的，角分辨率决定了Flash激光雷达的有效探测距离，如果要看清楚米处的小狗、车辆、行人，则垂直角分辨率应该低于0.1°/像素。激光雷达能测出远方某个物体要解决两个方面的问题——先“覆盖到”，后“探测到”。角分辨率解决的是“覆盖到”的问题，一个物体先要被发射的激光“覆盖到”，然后才能探讨是不是能被“探测到”，探测到也就是“看得远”那一段文字所论述的问题。

上述配置说明：目前Flash激光雷达无法同时满足上述“看得远”、“看得清”、“看得广”3个性能，作为前雷达还需要上游关键电子元器件性能成熟。其中，Flash激光雷达最关键的两大电子元器件是VCSEL激光芯片和SPAD光电探测器——以下篇幅，我们将对VCSEL和SPAD这两大关键元器件所需突破的瓶颈进行详细分析。

3．问题二：发射端为什么要用VCSEL？

机械旋转和MEMS激光雷达选择EEL更适合，原因在于：EEL光功率密度更大，能探测更远的距离；相较之下VCSEL用在机械旋转和半固态等激光雷达有一个最大的问题是光学设计会复杂很多以及光功率密度比较低。（1）机械旋转激光雷达：多线激光雷达都需要把激光准直到比较小的发散角度（比如0.1~0.2°），但是VCSEL这么大的发光面积比较难实现。（2）MEMS激光雷达：EEL占主导优势是因为MEMS激光雷达本身体积就不大，MEMS振镜直径大约1-2mm，想用VCSEL这么大的发光面积（一颗μm*μm，有点光源和线光源两种形式），把光线准直到这么小的MEMS面积上面（大约1-4mm2），整个光学系统会比较难实现。而EEL整个发光面积比较小（一颗μm*10μm），更容易准直。Flash激光雷达更适合用VCSEL主要原因在于：VCSEL相较于EEL具备更大的发光面积，FOV可以做得比较大；如果把EEL用在Flash上则光学设计会很复杂，需要好的光学设计去扩散EEL发出来的光。

EEL和VCSEL特性主要区别在于光功率密度发光面积、温漂、光束质量上有明显差异：

（1）光功率密度发光面积（EEL明显好于VCSEL）：光功率密度表示单位时间内，激光辐照在单位面积靶材上的能量大小。EEL的光功率密度一般是W/mm2，而现在功率密度最高的五结VCSEL大约W/mm2（全球VCSEL头部厂商Lumentum发布的五/六层结VCSEL最高功率密度能达到W/mm2，国内VCSEL芯片头部厂商长光华芯目前5层结VCSEL芯片光功率密度最高能达到1W/mm2）。造成上述差异主要在于VCSEL的发光面积远大于EEL，由于VCSEL是面发光，VCSEL芯片本身是由几十个甚至上百个发光点所组成的发光面，一般考虑通过增加发光面积（增加发光点或者增加单孔发光孔径）来提升光功率；但是EEL谐振腔平行于衬底，因此只要激光器越长，那么单孔功率就越大。从Lumentum、长光华芯和欧司朗公布的数据中可以看出，VCSEL发光面积（μm*μm）远大于EEL发光面积（μm*10μm）。

（2）温漂（VCSEL好于EEL）：温漂指波长随温度变化而漂移，由于车规工作温度范围是在-40~+℃之间，范围很大，因此温漂越低越好从而保证工作波长的稳定性。VCSEL的温漂性能要比EEL好很多，VCSEL只有0.07nm/℃，而EEL是0.3nm/℃。

（3）光束质量（EEL慢轴好于VCSEL）：EEL是椭圆形光斑，长的对称线是快轴和短的对称线是慢轴，EEL光束的慢轴远场发散角只有10°，光束质量很高；而VCSEL是堆成的圆形光斑，光束远场发散角大约20°，准直系统设计相对EEL会更困难一些。

VCSEL相比于EEL最大的劣势在于发光面积太大从而导致功率密度仅为EEL的1/60，因此VCSEL光功率密度的缺陷成为Flash激光雷达探测距离提升的主要瓶颈，解决这一问题的关键在于提升VCSEL芯片的PN结。以下是详细分析：

提高VCSEL的输出功率主要有两种方式：1、增大VCSEL芯片的有效发光面积，具体有两种途径：（1）增加VCSEL单元的发光点数：但是发光点数不能无限制增加，当点数达到一定程度时需要较大的输入电流，但是VCSEL芯片散热性较差是阻碍其通过这种方式实现光功率的增长。（2）增大单个VCSEL单元的发光孔孔径：这种方式也存在一定上限，因为受限于载流分布损耗和模态特性的制约，所以VCSEL单元的发光孔孔径不能过大。2、调整VCSEL芯片中各VCSEL单元的结构（从单层结往多层结发展）：将单PN结的VCSEL单元调整为多PN结的VCSEL单元。单结VCSEL的单孔出光功率一般是5-10mW；五结和六结nmVCSEL的单孔输出光功率超过2W（以Lumentum在年3月发布的五结VCSEL阵列为例），实验结果表明，五结VCSEL在℃时峰值功率密度2kW/mm。（报告来源：未来智库）

4．问题三：为什么Flash激光雷达要用SPAD？

激光雷达厂商在选择光电探测器时，有三种选择：APD（雪崩二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）和SiPM（硅光电倍增管）。

（1）为什么APD不行？——APD最大的问题在于增益不够，典型增益是倍；而SPAD的光电增益在以上，可以提高光电探测器的信噪比，十分灵敏。

一方面，Flash激光雷达由于VCSEL光功率密度偏低，而且泛光成像光子在整个视场角内扩散从而导致回波的功率密度低，因此需要信噪比更高的探测器，所以APD不适合，增益更高的SPAD更适合。另一方面，正因为APD内部光电增益较小（APD增益只有倍，SPAD增益有），所以需要增加外侧反向偏侧电压，要达到-伏，需要增加高压供压系统，这样会使得整个激光雷达系统设计变得非常复杂。

（2）SiPM和SPAD怎么选？SiPM是由多个带有猝灭电阻的SPAD并联组成。SPAD和SiPM主要有两个区别：

像素数：SPADSiPM。SPAD单点就是1个像素，但是SiPM单点像素是由多个和SPAD单个像素尺寸大小相当的微元组成同时输出信号（因为SiPM单点是由多个SPAD并联组成），所以SiPM的单点尺寸要明显大于SPAD。SiPM的成像分辨率是由SiPM单点的数目决定而不是微元的数目决定，因为SiPM单点数远小于SPAD的像素数，因此使用SiPM会在一定程度上牺牲角分辨率。

时间分辨率：SiPMSPAD。SPAD只能输出电平信号也就是“0”“1”，不能反映信号强度，所以在提取信号的时候需要结合时间和空间两个维度的信息来确认真实信号。但是SiPM是将多个并联的探测器收到的信号进行叠加，可以直接反映信号强度，可以设置阈值直接提取出真实信号，而不用进行比对。因此SiPM提取真实信号的耗时更短，即时间分辨率更高。

综上，如果更注重激光雷达的角分辨率，那么选择SPAD更好；如果更加

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