22-EFT.WP.Metrology.Instrument v1.0 | 第1章 仪器域定义与范围

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第1章 仪器域定义与范围

一句话目标：定义“仪器计量域”的对象、输入输出与合规边界，为后续建模、标定、不确定度与证书发布提供统一口径。

I. 范围与对象

1. 对象与层次
   • 信号链：传感→前端 AFE→ADC/DAC→数字处理→时间与同步→输出/记录。
   • 仪器类型：电/光/声/RF/微波及多模态复合（含嵌入式与在役监测）。
   • 计量内容：静态（量程/线性度/漂移）、动态（BW_3dB, RBW, VBW）、噪声与稳定度、不确定度与证书。
2. 输入
   • 设备与标准器元数据：device.id, channel.id, ref.id, certificate.id。
   • 运行与环境：RefCond={T, RH, P, V_s, EMI}, tau_mono, ts, offset/skew/J。
   • 原始记录：时域/频域测量、触发/门控、校准序列。
3. 输出
   • 标定与测量结果：标定系数、INL/DNL, ENOB, SNR, SFDR, H(f), S_n(f)。
   • 不确定度：u_c, U = k * u_c，合格性与 TUR。
   • 入湖与证书：manifest.instrument.*, TraceID, signature，到达时两口径差 delta_form。
4. 边界与非目标
   研发原理性建模与材料学不在本卷展开；成像链 PSF/OTF/MTF 仅做接口映射（详见《Methods.Imaging v1.0》）。

II. 名词与变量

1. 关键变量与字段（单位/量纲需在使用处声明）
   • 时基与到达时：tau_mono, ts, T_arr, gamma(ell), delta_form。
   • 信号链：FS, LSB, N, ENOB, SNR, SFDR, INL, DNL, BW_3dB, RBW, VBW。
   • 噪声与响应：S_n(f), ENBW, H(f), Vn_rms。
   • 不确定度与传播：u(x), u_c, U = k * u_c, J（Jacobian）, Sigma（协方差）。
   • 环境与修正：RefCond, corr_env(x; RefCond), aging_rate。
   • 追溯：TraceID, certificate.id, signature, TUR。
2. 统一检查
   unit(x), dim(x), check_dim( y - f(x) )。

III. 公设 P701-*

• P701-1（测量函数显式）：任何报告的量 y 均对应 y = f( x; theta, RefCond, tau_mono )，并发布 unit(y), dim(y) 与不确定度。
• P701-2（时基一体化）：内部在 tau_mono 计算与对齐，对外以 ts 发布，并记录 offset/skew/J。
• P701-3（到达时两口径）：涉及路径/传播时，必须并行计算
  T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) 与 T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )，并落盘 delta_form。
• P701-4（量纲守恒）：所有公式在发布前通过 check_dim(expr)。
• P701-5（可追溯与签名）：TraceID 贯穿设备→标准器→原始数据→证书，证书与清单必须签名。
• P701-6（复现实验）：任何结果可由 {device.cfg, cal.cfg, RefCond, seed} 复现到统计等价。

IV. 最小方程 S701-*

• S701-1（量化与分辨）：LSB = FS / 2^N，量化标准不确定度 u_q = LSB / sqrt(12)。
• S701-2（噪声积分）：Vn_rms^2 = ( ∫ |H(f)|^2 S_n(f) df )，ENBW = ( ∫ |W(f)|^2 df ) / |W(0)|^2。
• S701-3（覆盖不确定度）：U = k * u_c，其中 u_c^2 = J * Sigma * J^T。
• S701-4（线性度校正）：y_corr = a1 * y_raw + a0 或查表 y_corr = LUT(y_raw)，并记录 unit(y_corr)。
• S701-5（量纲校核）：check_dim( y - f(x) ) = 0。
• S701-6（到达时两口径差）：delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |。

V. 计量流程 M70-1（仪器域总流程）

• 就绪条件：register_instrument(device, channels) 与 attach_reference(ref, certificate) 完成，RefCond 达成，时间对齐 time_align(...) 成功。
• 标定执行：采集标定集，拟合 theta（线性/非线性/查表），产出 u_c(theta) 与残差分析。
• 测量采集：按测试计划执行测量，记录 tau_mono, ts, T_arr 两口径与 delta_form。
• 计算与修正：y_corr = corr_env( f(x; theta); RefCond )，整合噪声、量化与传播不确定度。
• 校核与断言：执行 assert_instrument_contract(ds, C70-*)（唯一性、单调、量纲、到达时差、性能门限）。
• 落盘与发布：生成 manifest.instrument.*、证书与签名，更新运行面板基线与审计日志。

VI. 契约与断言（C70-*）

• C70-01 unique(keys)：unique( device.id, channel.id, ts )。
• C70-02 time.monotone：non_decreasing(tau_mono)。
• C70-03 unit/dim：check_dim(all) = true。
• C70-04 arrival.forms：delta_form ≤ tol_Tarr。
• C70-05 performance.bands：ENOB ≥ enob_min，SNR ≥ snr_min，BW_3dB ∈ [bw_min, bw_max]。
• C70-06 uncertainty.coverage：k 明示且 U 在规格护带内。
• C70-07 certificate.valid：证书未过期，TUR ≥ tur_min。
• C70-08 env.window：RefCond 处于标定有效窗口，若越界则降权或拒绝发布。

VII. 实现绑定 I70-*（接口原型）

• register_instrument(meta, channels) -> device.handle
• attach_reference(device.handle, ref, certificate) -> trace_ref
• time_align(ds, sync_ref) -> ds'（写入 offset/skew/J）
• fit_calibration(ds, model_spec) -> theta, u_c
• measure_trace(plan, device.handle) -> ds
• compute_uncertainty(ds, theta, Sigma) -> u_c, U
• emit_certificate(device.handle, results, U) -> certificate
• assert_instrument_contract(ds, rules) -> report
• freeze_release_certificate(certificate, tag) -> manifest.instrument

不变量：reproducible(seed)；sum(weights)/N ≈ 1（若有再加权）；delta_form ≤ tol_Tarr；签名与 TraceID 完整。

VIII. 交叉引用

• 时基映射与抖动：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》第5章与第7章。
• 同步伺服与链路非对称：见《EFT.WP.Metrology.Sync v1.0》第6章与第7章。
• 清洗契约与发布冻结：见《EFT.WP.Methods.Cleaning v1.0》第10章。
• 成像链路映射（若为光学/图像仪器）：见《EFT.WP.Methods.Imaging v1.0》第5章与第14章。

IX. 质量与风控

• SLI/SLO 建议
  availability, latency_ms_p99, recalibration_age_days, drift_level, contract_violation_rate。
• 漂移与回退
  当 drift_level > drift_threshold 或 contract_violation_rate > r_max：触发再标定或切换冗余通道，按 failover_policy 回退。
• 审计
  全链 TraceID 与 hash_sha256(blob)；证书与 manifest.instrument.* 双签名。

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