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论激光雷达产业的光学工程师的自我修养

时间:2021-08-26 已阅读:760次

一、前言

光学是一门古老的学科,它的发展几乎是和人类的历史同时进行。从墨子《墨经》中记录到的最早的光学知识到牛顿用三棱镜揭开阳光的奥秘,从杨氏双缝干涉到爱因斯坦的光量子假说,光学的发展出现了一波三折的变化。时至今日,光学已经成为了一个庞大的学科,其研究成果推动了各行各业的发展。从日常佩戴的眼镜,家家户户使用的电灯,到芯片制造中使用的光刻机,太空中的哈勃望远镜,光学工程师在各行各业中都在推动这个社会变得更好。

光学同样是一门分支众多,包罗万象的学科。“光学”这个名词在某种深度和广度上是和“电学”这个名词不相上下的,其衍生知识更会覆盖数学物理的方方面面。一位从事镜头设计的光学工程师的工作内容和背景知识或许会和另一位从事量子光通信的光学工程师完全不同。若将光学这个领域进行粗略的分解,其大致可以分为三大类:几何光学、波动光学、量子光学。这三类分别从不同的角度研究了光的物理性质,其排序也代表了人类对于光本质的理解过程。

激光雷达(LiDAR)是一种用于精确获得三维位置信息的传感器,可以确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。与无线电雷达(Radar)相似,也是通过计算电磁波信号往返于探测物体与目标之间的时间来测量目标距离。一个完整的激光雷达由发射系统、接收系统、信息处理三部分组成。在发射系统与接收系统中,里面有着大量的光学元件,需要对各领域的知识融会贯通,形成体系,从而也对于一个激光雷达光学工程师提出了更高的要求和挑战。

二、激光雷达光学工程师的自我修养之一:工具储备

一个完整的激光雷达由发射系统、接收系统、信息处理三部分组成。这三部分中的发射和接收系统均会运用到光学元件和光学相关知识。激光雷达领域所涉及到的光学知识有如下几个领域:

几何光学:最基础的光学,用于激光雷达的光束整形、准直,发射端和接收端的光路设计都需要这领域的知识。

光学材料:主要应用于镜头、Diffuser、DOE等元件的材料选择,涉及不同元件的性能、价格、环境适应性等。

波动光学:相干激光雷达(FMCW)的理论基础,同时在设计镜头(特别是超透镜)、衍射光学元件(DOE)的重要理论支撑。

傅里叶光学:镜头,DOE设计中重要的理论基础,在相干雷达建立光学传递函数中需要的工具。

电动力学:电磁学的理论基础,在处理研究小尺寸的光学、光与金属的相互关系等发挥作用。

激光原理:涉及激光雷达光源选择,属于非常重要的领域。

半导体物理:像素微光学涉及的理论基础。

光通信原理:FMCW激光雷达数据处理的重要参考理论。

光电检测与传感:接收端选型的参考。

信号与系统:各种原理下激光雷达信号处理的基础。


上面的知识可以被汇总为下图:

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由上图可以看出,整个激光雷达系统内的每一个组成部分都与多种光学分支相关,这就对我们的知识储备提出了非常高的要求。大部分的光学工程师可能在学校里学过相关的课程或者仅学过部分相关的课程,这就需要光学工程师在工作的时候,对于自己只是链条上欠缺的知识进行查漏补缺。

此外,对于在工作中会用到的各种工具软件,也需要及时学习,丰富自己的技能库。俗话说的好“工欲善其事,必先利其器”,丰富自己的技能也是非常有必要的。那么哪些软件是我们工作中的好伙伴呢?

首先是各种编程语言或者科学计算软件,如Matlab、Mathematica,对于日常的计算来说,这些都是必不可少的。熟练运用这些软件可以使工程师在短时间内进行快速的数学建模或者计算,迅速地验证自己的想法。其次就是各种仿真软件,几何光学中常用的有Zmax,Tracepro,CodeV等;波动光学的仿真主要为电磁场仿真软件,如FDTD solutions、COMSOL Multiphysics、CST等,这些软件可以在我们对于各种需要研究波动光学的场景中有很大助力。此外,各种常用的实验设备如示波器、万用表等也是工作的好帮手,需要尽量熟悉。


三、激光雷达光学工程师的自我修养之二:需要具备的能力

“能力”这个词在日常生活中显得非常玄学,无法定量。然而在工作中,对于相处时间比较久的同事,总有人会被说“能力好”或者“能力差”,那么我们就需要对于激光雷达光学工程师的“能力”究竟是什么进行一番剖析。

1. 定位问题的能力:当接手一项工作时,两个最核心的问题是:做什么?怎么做?一项任务交代下来,一个工作分配下来,我们究竟需要做什么是一个很重要的问题。如果错误的判断了需要做的事情,那就像射箭时弄错了靶子,做的越多错的越多。一个优秀的激光雷达工程师是可以准确定位出每一项任务中的核心点在哪里,或者说“主要矛盾”在哪里,从而做到有的放矢。

2. 分析问题的能力:当确定好目标之后,一个工程师脑子中可能会浮现出许多解决方案,这时就需要分解问题的能力出场了。光学工程师需要根据自己的学识和经验找到自己面临问题的关键点,从而首先制定出解决这个关键问题的方案,再以此为基础,循序渐进地推导出剩下的解决方案,从而完成任务。

3. 归纳和总结的能力:这种能力实际上是“经验”的另一种说法。归纳和总结代表对于过往工作中遇到的情况的一种复习和反省,有足够的归纳总结才有可能避免在以往工作中遇到的问题再一次出现,也才可以从过去的精力中真正学习,将日复一日的工作变成自己的积累。

4. 沟通和协作的能力:在当前社会,合作是工作的主要表现形式,由一个人就可以单独完成的工作会越来越少。因此与同事的沟通协作能力就决定了这个团队能力的下限。如果两个工程师自身的能力都是100%,但是他们交流沟通并不顺利,沟通效率只有40%,则这个团队的总能力并不是100%+100%=200%,而是只有100%×40%+100%×40%=80%,反倒不如一个人的能力强。这个简单的计算体现出了沟通协作能力的重要性。


四、激光雷达光学工程师的自我修养之三:触类旁通,融会贯通

一位激光雷达光学工程师在日常工作中必然会和其他同事有交集与合作。在合作的开始阶段,在工作中双方通常会严格遵守自己的知识边界,只做好自己分内的事情。

但是,这样子会产生很多其他的问题,比如光学工程师设计的方案在其他工程师如电子工程师、硬件工程师眼里并非具有可行性,更多的方案可能会沦为“纸上谈兵”。随着工作的开展和与其他同事的交流逐渐深入,随着“经验”的积累,也可以逐渐进行一些初步的判断,判断自己产生的方案是否可行。

然而,仅仅有这些“经验”并不够,我们需要将“经验”转变为可以积累的知识,来充实自己,提高工作的效率。

所以,对于一个进阶的光学工程师,对于知识的学习要以本职工作为基础,再逐次拓展自己的知识体系,从而可以更好的提高工作效率。正如同两块相互贴的很紧的两种金属一样,时间长了之后,两种金属的原子会相互渗透。当光学工程师和其他工程师在一起工作,相互配合时,也需要学习和自己工作相关的其他领域知识,立足于自身知识水平向外拓展。


五、激光雷达光学工程师的自我修养之四:终有大成,向系统工程师迈进

如果我们从一个激光雷达的所有光学设备出发,会发现已经可以几乎构成了完整的激光雷达模组,也可以完成所有的能量环路流程。于是,仅仅从光学角度为基础,一名光学工程师就可以试图着手建立整个激光雷达的理论模型了。

但是,仅仅对于光学知识融会贯通并不能成为系统工程师,仍需要学习搭建整个系统中缺失的另外一半拼图:电学知识,特别是电路知识。所以,若要以系统工程师作为最终的职业发展目标,一名光学工程师并不能满足于当前的知识储备,应当立足光学,放眼更多的知识领域,这样才能融会贯通,终成大器。


六、结语

激光雷达这个领域并不是一个很新的领域,只是在这几年随着自动驾驶的兴起,逐渐变成了一个“显学”。激光雷达是一个光电混合的设备,目前并没有特别对口的专业设置,大部分的从业者都是半路出家的,知识背景比较繁杂,所以对于应有的知识点需要查缺补漏。此外,在实际工作中,需要更注意这是一个多领域交叉很深的学科,需要更多的和同事进行交流沟通,来降低走弯路的可能。