17-EFT.WP.Methods.Imaging v1.0 | 第4章 辐射度量、单位与标定一致化

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第4章 辐射度量、单位与标定一致化

一句话目标：将传感器电子计数域 I_lin 统一映射到物理辐射量域（L, E, Φ 等），建立从像素到辐射度量的可追溯标定链，保证单位、量纲与不确定度在全链路一致。

I. 范围与对象

1. 输入
   • 来自第3章模式绑定后的标准数据 SRef.img = {I_lin, masks, mode_axes, tau_map, manifest.imaging.device}。
   • 标定资产 calib_assets = {dark_sets, flat_sets, sphere_sets, spectral_resp, vignette_maps, cg_report}。
   • 环境与参考条件 RefCond = {T, RH, λ_ref_range, luminance_level, T_trans_ref}。
2. 输出
   • 辐射度量影像与参数：L_eff, E_img, k_rad, G_sys, V(x,y), PRNU, DSNU。
   • 契约与审计：assert_report.radiometry, manifest.imaging.radiometry（含单位、量纲与不确定度）。
3. 边界
   若 ISP 已进行不可逆色彩/降噪处理，仅在“相对辐射”域给出归一化结果并落盘偏离项。

II. 名词与变量

1. 物理量与单位
   • L（radiance，单位 W m^-2 sr^-1），E（irradiance，单位 W m^-2），Φ（flux，单位 W）。
   • N_e（photoelectrons，单位 e-），K_cg（conversion gain，单位 e- DN^-1），k_rad（radiometric scale，单位 L (e- s^-1)^-1 或相应派生单位）。
   • QE(λ)，τ_opt(λ)，A_px（pixel area），t_exp，f_mod（若 ToF），“透射系数” T_trans。
2. 器件与场景响应
   • H_sys(λ)（system photon→electron responsivity，单位 e- J^-1 m^2 sr 的等效形式），G_sys = ( ∫_Λ H_sys(λ) dλ )。
   • V(x,y)（vignetting/illumination falloff），PRNU(x,y)，DSNU(x,y)。
3. 质量与不确定度
   u(x), U = k * u_c，q_score，drift，sat_cov。

III. 公设 P204-*

• P204-1（单位与量纲守恒）：参与辐射计算的每一字段必须声明 unit(field) 与 dim(field)，并通过 check_dim(expr)。
• P204-2（线性域基准）：辐射标定在第3章产出的线性电子计数域 I_lin 上进行，unit(I_lin)="e-"。
• P204-3（黑电平与暗电流可分离）：存在稳定的 DSNU(x,y) 与 dark_level 可由暗场估计，且随 t_exp 的漂移受控。
• P204-4（平场可得）：可获得足够覆盖度的均匀照度平场以估计 PRNU(x,y) 与 V(x,y)。
• P204-5（谱权显式）：任何带谱相关的标定均需声明波段 Λ 与权重 W(λ)；发布 L_eff 时明确有效权 W(λ)=H_sys(λ)。
• P204-6（标定可追溯）：K_cg, k_rad, G_sys, V(x,y) 的溯源链与版本入 manifest 并签名。
• P204-7（温度与增益条件一致）：标定与应用需在 RefCond 范围内，超界时应给出修正或降级说明。
• P204-8（ToF/偏振/光谱兼容）：对模态专属辐射量（如调制光功率、偏振辐亮度、窄带辐亮度）需在各自通道独立标定并统一口径。

IV. 最小方程 S204-*

• S204-1（电子计数模型）
  I_lin(x,y) = N_e(x,y) = t_exp * ( ∫_Λ H_sys(λ) * L(λ; x,y) dλ ) + N_dark(x,y) + n_read(x,y)。
• S204-2（有效辐亮度定义）
  L_eff(x,y) = ( ∫_Λ H_sys(λ) * L(λ; x,y) dλ ) / ( ∫_Λ H_sys(λ) dλ )，并定义 G_sys = ( ∫_Λ H_sys(λ) dλ )。
• S204-3（从计数到辐亮度）
  L_eff = ( I_corr / t_exp ) / G_sys，其中 I_corr = ( I_lin - DSNU ) / G_flat，G_flat = V(x,y) * ( 1 + PRNU(x,y) )。
• S204-4（PRNU/DSNU 估计）
  DSNU(x,y) = mean_t( dark(x,y; t_exp) )，
  PRNU(x,y) = ( flat(x,y) / mean_xy( flat(x,y) ) ) - 1，
  V(x,y) = mean_t( flat(x,y) ) / mean_xy( mean_t( flat(x,y) ) )。
• S204-5（转换增益与线性度）
  使用 PTC：var( I_lin ) = ( 1 / K_cg ) * mean( I_lin ) + σ_read^2；线性回归得 K_cg 与 σ_read。
  线性度评价：R2_linear ≥ R2_min。
• S204-6（辐射标度因子）
  若采用参考辐射源：k_rad = L_ref / ( ( I_corr / t_exp ) )，并给出 u(k_rad)。
• S204-7（单位与量纲校核）
  check_dim( L_eff - ( I_corr / t_exp ) / G_sys ) = true，
  unit(L_eff)="W m^-2 sr^-1"。
• S204-8（不确定度合成）
  u^2(L_eff) = ( ∂L/∂I_corr )^2 u^2(I_corr) + ( ∂L/∂t_exp )^2 u^2(t_exp) + ( ∂L/∂G_sys )^2 u^2(G_sys)。

V. 标定与一致化流程 M40-*

• M40-1 标定资产就绪：检入 dark_sets/flat_sets/sphere_sets，核对 RefCond 与单位。
• M40-2 转换增益估计：执行 PTC，得到 K_cg、σ_read，生成 cg_report。
• M40-3 暗场建模：在多 t_exp 条件估计 DSNU(x,y) 与 dark_drift(t_exp,T)。
• M40-4 平场与照度一致：构建 PRNU(x,y) 与 V(x,y)，剔除 mask_bad/hot/sat。
• M40-5 系统谱权登记：注册 H_sys(λ) 或其离散近似及 Λ。
• M40-6 计数域校正：I_corr = ( I_lin - DSNU ) / ( V * (1+PRNU) ) * gain_ref，其中 gain_ref = median(V*(1+PRNU))。
• M40-7 标度拟合：基于参考源或积分球，拟合 k_rad 或直接估 G_sys。
• M40-8 推得辐亮度：按 S204-3 计算 L_eff 或 E_img（若使用照度域）。
• M40-9 契约校核与不确定度：执行 assert_contract.radiometry 与 u(L_eff) 合成，生成报告。
• M40-10 落盘与签名：写入 manifest.imaging.radiometry，含 K_cg/k_rad/G_sys/RefCond/u(.)/hash 并签名。

VI. 契约与断言

1. 量纲与单位
   • check_dim( I_lin ) = [Q]（电子计数），check_dim( L_eff ) = [P L^-2 Ω^-1 ]。
   • unit(K_cg)="e- DN^-1"，unit(k_rad)="(W m^-2 sr^-1) (e- s^-1)^-1"。
2. 线性与范围
   R2_linear ≥ 0.995；sat_cov ≤ sat_cov_max；non_decreasing(t_exp)。
3. 暗场与平场
   std(DSNU) ≤ DSNU_max；std(PRNU) ≤ PRNU_max；max|V-1| ≤ V_max_dev。
4. 标度与一致性
   • abs_err_L = | L_meas - L_ref | / L_ref ≤ tol_L。
   • drift(K_cg; ΔT) ≤ tol_cg_drift；drift(k_rad; Δt) ≤ tol_k_drift。
5. 可追溯
   manifest_signed = true；hash_sha256(calib_bundle) 一致。

VII. 实现绑定 I40-*

• I40-1 fit_ptc(frames) -> {K_cg, sigma_read, R2_linear}
• I40-2 estimate_dark(frames, t_exp_grid, T_grid) -> {DSNU(x,y), dark_drift}
• I40-3 estimate_flat(frames) -> {PRNU(x,y), V(x,y)}
• I40-4 register_spectral_weight(meta) -> {H_sys(λ), Λ}
• I40-5 apply_radiometric_correction(I_lin, DSNU, PRNU, V) -> I_corr
• I40-6 fit_radiometric_scale(I_corr, t_exp, L_ref) -> {k_rad, u(k_rad)}
• I40-7 compute_radiance(I_corr, t_exp, G_sys|k_rad) -> {L_eff, u(L_eff)}
• I40-8 validate_radiometry(L_eff, refs, contracts) -> assert_report
• I40-9 emit_manifest_radiometry(params, reports, hashes) -> manifest

VIII. 交叉引用

• 设备与模式绑定（线性化、掩码、时基）：见本卷第3章。
• 单位、量纲与计量一致化通用规则：见《Methods.Cleaning v1.0》第4章。
• 时间轴与同步、到达时口径（ToF 辐射能量一致性）：见《Methods.Cleaning v1.0》第5/6章。
• 环境修正与参考条件传播：见《Methods.Cleaning v1.0》第12章。
• 概率与归一化（噪声建模与不确定度）：见《Methods.Cleaning v1.0》第13章。
• 核心数据模式与键：见《EFT.WP.Core.DataSpec v1.0》。

IX. 质量度量与风控

1. 关键指标
   R2_linear, sigma_read, K_cg, std(DSNU), std(PRNU), V_max_dev, abs_err_L, u(L_eff), drift(k_rad), sat_cov。
2. 风险处置
   • 线性或误差超阈：回退到最近 freeze_release(tag_prev) 的标定包；置 q_score 降级并触发再标定流程。
   • 环境失配：应用 corr_env(x; RefCond) 或拒绝发布并记录偏离。

小结