47-PTN Template v1.0 | 第6章 实验/观测设计与采样

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第6章 实验/观测设计与采样

I. 几何与时基（Geometry & Timebase）

1. 观测几何
   • 参考系：{RA, Dec} 或 {x, y, z}；姿态四元数 q_att；视场 FOV；指向 r_hat（单位向量）。
   • 路径显式：gamma(ell) 与测度 d ell 成对；离散步长 Δell、路径长度 L = ∑ d ell。
   • 相干窗：时间 T_coh、空间 L_coh、频率 B_coh；|∇ n_eff| · L_coh ≪ 1。
2. 采样时基
   • 采样率 f_s，曝光/停驻 t_exp，节律 cadence；Nyquist 约束：f_s ≥ 2 f_max。
   • 到达时采样：保证 Δell ≤ ( c_ref / f_s ) / max(n_eff)；相位采样：Δt ≤ λ_ref / (2 c_ref)。
3. 频段与参考
   参考波长 λ_ref、参考波数 k_ref = 2π/λ_ref；带宽 B；滤波/窗函数（矩形/汉宁/布莱克曼）。
4. 几何边界与遮挡
   遮挡掩膜 M_occ(x,y)；有效视场 FOV_eff = FOV \ M_occ；边界条件（反射/吸收/周期）。
5. 数据结构
   轨迹：{t_i, r_hat_i, gamma(ell)_i, d_ell_i}；相位：{t_i, Phi_i, λ_ref}；到达时：{t_i, T_arr_i}。

II. 设备与校准（Instrument & Calibration）

1. 设备谱系
   • 设备标识 instrument.id、模式 instrument.mode ∈ {imaging|spectral|timing|mixed}、通道列表 channels[]。
   • 关键规格：定时分辨率 δt_clk、读出噪声 σ_ro、增益 g、量化位宽 N_bits、动态范围 DR。
2. 标定层级与新鲜度
   • 层级：原级（溯源）、转移（实验室）、在位（现场）；参数集 θ = {bias, dark, flat, gain, PSF, delay}。
   • 新鲜度门：|ts_start − calib.timestamp| ≤ τ_calib；若超限，自动触发再标定/拒收。
3. 计量闭合
   量纲核查 check_dim；单位对照（m, s, rad, 1）；将 θ 的单位与不确定度 u(θ_k)显式化。
4. 延时与色散
   设备/链路延时 τ_sys、通道间偏置 Δτ_ch；若存在色散，提供 n_eff(λ) 或色散参数表。
5. 在位校准流程（摘要）
   • 时钟：GNSS/PPS 锁定 → PTP/NTP 回退；
   • 成像：Bias/Dark/Flat → PSF 扫描 → 畸变 → 统一写入 calib.version；
   • 光谱：灯源线表拟合 → 波长解 → 线性度；
   • 定时：脉冲源/回环 → 通道对齐 Δτ_ch → 绝对时对齐 δt_abs。

III. 同步与漂移（Synchronization & Drift）

1. 时间同步
   • 主参考：GNSS 1PPS + 10 MHz；回退：PTP（优先级）→ NTP。
   • 时间戳：ts = TAI/UTC，记录闰秒策略；日志包含 clock_state ∈ {locked, holdover, free}。
2. 漂移建模
   • 时钟偏移 δt(t)、抖动 jitter、Allan 偏差 σ_y(τ)；温度漂移 α_T · ΔT；姿态漂移 Δq_att。
   • 介质慢漂：n_eff = n_0 + ε n_1(t, r)，ε ≪ 1；在相干窗内按一阶展开处理。
3. 路径改正与对准
   • 几何改正：畸变 D(x,y)；路径改正：gamma(ell) ← gamma(ell) + δγ(ell)；
   • 相位对齐：参考窗内最大相关对齐 argmax_τ corr(Phi_ref, Phi_obs(·−τ))。
4. 监控与告警
   • 门限：σ_y(1s) ≤ σ_target、|δt_abs| ≤ τ_abs、|Δτ_ch| ≤ τ_ch；
   • 超限动作：降级模式、重同步、重标定、标记 quality.flags += {"sync_alert"}。

IV. 切换策略（Switching & Fallback Strategy）

1. 模式切换
   • 条件：SNR < SNR_min 或 σ_y(τ) 超限 → 增时基/降带宽；
   • 近轴违背：|θ| > θ_max → 退出 S31-1，转全波/数值传播链；
   • Path 稀疏：|Δell| > Δell_max → 触发加密采样或拒收。
2. 相干窗调整
   T_coh, L_coh, B_coh 自适应：若 |∇ n_eff| 上升，缩短 T_coh 与 L_coh，提高 B_coh 频率分辨。
3. 降级与回退
   • 时间：GNSS 失锁 → PTP → NTP → 本地自由振荡（自动升高不确定度标注）。
   • 标定：τ_calib 超期 → 进入限制模式（仅低风险任务），并强制排程再标定。
4. 触发与记录
   • 触发器：sync_alert、drift_alert、geom_alert；
   • 记录：在 audit.jsonl 中写入切换时间、理由、前后参数快照与质量门状态。

V. 实验协议卡（Protocol Card，机读模板）

version: "1.0.0"

protocol:

id: "ptn-exp-0001"

title: "Baseline PTN Observation"

geometry:

frame: "RA-Dec"

r_hat: [<unit_vector>]

FOV_deg: 1.0

path:

gamma_ell: "<array-of-meters>"

d_ell: "<array-of-meters>"

L_min: 10.0

timebase:

fs_hz: 2000

t_exp_s: 0.01

cadence_s: 0.05

nyquist_guard: true

band:

lambda_ref_m: 1.55e-6

bandwidth_hz: 2.0e9

window: "hann"

instrument:

id: "INS-001"

mode: "timing"

specs: { dt_clk_ns: 5, readout_noise_e: 2.1, bits: 14 }

calibration:

version: "1.2.0"

timestamp: "2025-09-24T10:00:00Z"

freshness_s: 86400

theta:

bias_e: 0.3

dark_e_s: 0.01

delay_sys_ns: 25.0

sync:

ref: "GNSS_PPS"

fallback: ["PTP","NTP"]

thresholds: { allan_1s: 1e-11, abs_ns: 50, skew_ns: 5 }

coherence:

T_coh_s: 1.0

L_coh_m: 50.0

B_coh_hz: 1.0e6

gates: ["G1","G2","G3","G4","G5","G6","G7","G8"]

see:

- "EFT.WP.Core.Equations v1.1:S20-1"

- "EFT.WP.Core.Metrology v1.0:check_dim"

- "EFT.WP.Core.DataSpec v1.0:TARR"

exports:

manifest: "PTN_EXPORT/manifest.yaml"

reports: ["reports/check_dim_report.json","reports/quality_report.json","reports/audit.jsonl"]

VI. 采样计划（Sampling Plan，执行要点）

• 采样矩阵：在 {time × channel × position} 上给出完整覆盖；缺失按 null 标注并在 quality.flags 记录原因。
• 分层采样：按批次/设备/天区进行分层，保证层内最小样本量与均衡。
• 自监控指标：SNR、σ_y(τ)、Q_res、p_dim 实时滚动计算；超限触发 IV 节切换。
• 再访与复测：为关键场景保留 ≥ 10% 再访配额，用于稳健性与漂移评估。

VII. 校准与同步脚本（接口绑定）

• I60-calibrate(theta_in) -> theta_out：输出 θ 与 u(θ)，更新 calib.version 与时间戳。
• I61-sync_lock(source) -> {clock_state, δt_abs, σ_y}：状态机与阈值判断。
• I62-path_resample(gamma_ell, d_ell, Δell_max) -> {gamma_ell', d_ell'}：路径加密/重采样。
• I63-coherence_adapt(metrics) -> {T_coh, L_coh, B_coh}：根据 |∇ n_eff|、SNR、σ_y 自适应。

VIII. 结果页必填（与第5章发布项对齐）

• 几何与时基摘要（FOV_eff、cadence、T_coh/L_coh/B_coh）；
• 设备与标定摘要（calib.version、θ 与 u(θ)、τ_calib 合规性）；
• 同步与漂移（clock_state、δt_abs、σ_y(τ)、告警与切换日志）；
• 质量门通过率与关键阈值对照（G1–G8）。