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一、前言

光學是一門古老的學科，它的發(fā)展幾乎是和人類的歷史同時進行。從墨子《墨經》中記錄到的最早的光學知識到牛頓用三棱鏡揭開陽光的奧秘，從楊氏雙縫干涉到愛因斯坦的光量子假說，光學的發(fā)展出現了一波三折的變化。時至今日，光學已經成為了一個龐大的學科，其研究成果推動了各行各業(yè)的發(fā)展。從日常佩戴的眼鏡，家家戶戶使用的電燈，到芯片制造中使用的光刻機，太空中的哈勃望遠鏡，光學工程師在各行各業(yè)中都在推動這個社會變得更好。

光學同樣是一門分支眾多，包羅萬象的學科?！肮鈱W”這個名詞在某種深度和廣度上是和“電學”這個名詞不相上下的，其衍生知識更會覆蓋數學物理的方方面面。一位從事鏡頭設計的光學工程師的工作內容和背景知識或許會和另一位從事量子光通信的光學工程師完全不同。若將光學這個領域進行粗略的分解，其大致可以分為三大類：幾何光學、波動光學、量子光學。這三類分別從不同的角度研究了光的物理性質，其排序也代表了人類對于光本質的理解過程。

激光雷達(LiDAR)是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。與無線電雷達（Radar）相似，也是通過計算電磁波信號往返于探測物體與目標之間的時間來測量目標距離。一個完整的激光雷達由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。在發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)中，里面有著大量的光學元件，需要對各領域的知識融會貫通，形成體系，從而也對于一個激光雷達光學工程師提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

二、激光雷達光學工程師的自我修養(yǎng)之一：工具儲備

一個完整的激光雷達由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。這三部分中的發(fā)射和接收系統(tǒng)均會運用到光學元件和光學相關知識。激光雷達領域所涉及到的光學知識有如下幾個領域：

幾何光學：最基礎的光學，用于激光雷達的光束整形、準直，發(fā)射端和接收端的光路設計都需要這領域的知識。

光學材料：主要應用于鏡頭、Diffuser、DOE等元件的材料選擇，涉及不同元件的性能、價格、環(huán)境適應性等。

波動光學：相干激光雷達（FMCW）的理論基礎，同時在設計鏡頭（特別是超透鏡）、衍射光學元件（DOE）的重要理論支撐。

傅里葉光學：鏡頭，DOE設計中重要的理論基礎，在相干雷達建立光學傳遞函數中需要的工具。

電動力學：電磁學的理論基礎，在處理研究小尺寸的光學、光與金屬的相互關系等發(fā)揮作用。

激光原理：涉及激光雷達光源選擇，屬于非常重要的領域。

半導體物理：像素微光學涉及的理論基礎。

光通信原理：FMCW激光雷達數據處理的重要參考理論。

光電檢測與傳感：接收端選型的參考。

信號與系統(tǒng)：各種原理下激光雷達信號處理的基礎。

上面的知識可以被匯總為下圖：

由上圖可以看出，整個激光雷達系統(tǒng)內的每一個組成部分都與多種光學分支相關，這就對我們的知識儲備提出了非常高的要求。大部分的光學工程師可能在學校里學過相關的課程或者僅學過部分相關的課程，這就需要光學工程師在工作的時候，對于自己只是鏈條上欠缺的知識進行查漏補缺。

此外，對于在工作中會用到的各種工具軟件，也需要及時學習，豐富自己的技能庫。俗話說的好“工欲善其事，必先利其器”，豐富自己的技能也是非常有必要的。那么哪些軟件是我們工作中的好伙伴呢？

首先是各種編程語言或者科學計算軟件，如Matlab、Mathematica，對于日常的計算來說，這些都是必不可少的。熟練運用這些軟件可以使工程師在短時間內進行快速的數學建模或者計算，迅速地驗證自己的想法。其次就是各種仿真軟件，幾何光學中常用的有Zmax，Tracepro，CodeV等；波動光學的仿真主要為電磁場仿真軟件，如FDTD solutions、COMSOL Multiphysics、CST等，這些軟件可以在我們對于各種需要研究波動光學的場景中有很大助力。此外，各種常用的實驗設備如示波器、萬用表等也是工作的好幫手，需要盡量熟悉。

三、激光雷達光學工程師的自我修養(yǎng)之二：需要具備的能力

“能力”這個詞在日常生活中顯得非常玄學，無法定量。然而在工作中，對于相處時間比較久的同事，總有人會被說“能力好”或者“能力差”，那么我們就需要對于激光雷達光學工程師的“能力”究竟是什么進行一番剖析。

1.定位問題的能力：當接手一項工作時，兩個最核心的問題是：做什么？怎么做？一項任務交代下來，一個工作分配下來，我們究竟需要做什么是一個很重要的問題。如果錯誤的判斷了需要做的事情，那就像射箭時弄錯了靶子，做的越多錯的越多。一個優(yōu)秀的激光雷達工程師是可以準確定位出每一項任務中的核心點在哪里，或者說“主要矛盾”在哪里，從而做到有的放矢。

2.分析問題的能力：當確定好目標之后，一個工程師腦子中可能會浮現出許多解決方案，這時就需要分解問題的能力出場了。光學工程師需要根據自己的學識和經驗找到自己面臨問題的關鍵點，從而首先制定出解決這個關鍵問題的方案，再以此為基礎，循序漸進地推導出剩下的解決方案，從而完成任務。

3.歸納和總結的能力：這種能力實際上是“經驗”的另一種說法。歸納和總結代表對于過往工作中遇到的情況的一種復習和反省，有足夠的歸納總結才有可能避免在以往工作中遇到的問題再一次出現，也才可以從過去的精力中真正學習，將日復一日的工作變成自己的積累。

4.溝通和協(xié)作的能力：在當前社會，合作是工作的主要表現形式，由一個人就可以單獨完成的工作會越來越少。因此與同事的溝通協(xié)作能力就決定了這個團隊能力的下限。如果兩個工程師自身的能力都是100%，但是他們交流溝通并不順利，溝通效率只有40%，則這個團隊的總能力并不是100%+100%=200%，而是只有100%×40%+100%×40%=80%，反倒不如一個人的能力強。這個簡單的計算體現出了溝通協(xié)作能力的重要性。

四、激光雷達光學工程師的自我修養(yǎng)之三：觸類旁通，融會貫通

一位激光雷達光學工程師在日常工作中必然會和其他同事有交集與合作。在合作的開始階段，在工作中雙方通常會嚴格遵守自己的知識邊界，只做好自己分內的事情。

但是，這樣子會產生很多其他的問題，比如光學工程師設計的方案在其他工程師如電子工程師、硬件工程師眼里并非具有可行性，更多的方案可能會淪為“紙上談兵”。隨著工作的開展和與其他同事的交流逐漸深入，隨著“經驗”的積累，也可以逐漸進行一些初步的判斷，判斷自己產生的方案是否可行。

然而，僅僅有這些“經驗”并不夠，我們需要將“經驗”轉變?yōu)榭梢苑e累的知識，來充實自己，提高工作的效率。

所以，對于一個進階的光學工程師，對于知識的學習要以本職工作為基礎，再逐次拓展自己的知識體系，從而可以更好的提高工作效率。正如同兩塊相互貼的很緊的兩種金屬一樣，時間長了之后，兩種金屬的原子會相互滲透。當光學工程師和其他工程師在一起工作，相互配合時，也需要學習和自己工作相關的其他領域知識，立足于自身知識水平向外拓展。

五、激光雷達光學工程師的自我修養(yǎng)之四：終有大成，向系統(tǒng)工程師邁進

如果我們從一個激光雷達的所有光學設備出發(fā)，會發(fā)現已經可以幾乎構成了完整的激光雷達模組，也可以完成所有的能量環(huán)路流程。于是，僅僅從光學角度為基礎，一名光學工程師就可以試圖著手建立整個激光雷達的理論模型了。

但是，僅僅對于光學知識融會貫通并不能成為系統(tǒng)工程師，仍需要學習搭建整個系統(tǒng)中缺失的另外一半拼圖：電學知識，特別是電路知識。所以，若要以系統(tǒng)工程師作為最終的職業(yè)發(fā)展目標，一名光學工程師并不能滿足于當前的知識儲備，應當立足光學，放眼更多的知識領域，這樣才能融會貫通，終成大器。

六、結語

激光雷達這個領域并不是一個很新的領域，只是在這幾年隨著自動駕駛的興起，逐漸變成了一個“顯學”。激光雷達是一個光電混合的設備，目前并沒有特別對口的專業(yè)設置，大部分的從業(yè)者都是半路出家的，知識背景比較繁雜，所以對于應有的知識點需要查缺補漏。此外，在實際工作中，需要更注意這是一個多領域交叉很深的學科，需要更多的和同事進行交流溝通，來降低走彎路的可能。