AIDT 온디바이스 국방 MUM-T 해군 함정 탑재 고출력 레이저(HELWS) 대기 난류 파면 왜곡 실시간 보정 변형 거울(Deformable Mirror) 적응광학(AO) 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AdaptiveOptics
{
    /// <summary>
    /// 샤크-하트만 파면 센서 및 대기 난류 계측 상태
    /// </summary>
    public readonly ref struct ShackHartmannWavefrontTelemetryState
    {
        public readonly double RmsWavefrontErrorNanometers; // RMS 파면 왜곡 오차 [nm]
        public readonly double TipSlopeMilliRad;             // 팁(Tilt-X) 전체 기울기 [mrad]
        public readonly double TiltSlopeMilliRad;            // 틸트(Tilt-Y) 전체 기울기 [mrad]
        public readonly double AtmosphericCn2;              // 굴절률 구조상수 Cn^2 [m^-2/3]
        public readonly double TargetDistanceMeters;         // 표적과의 교전 거리 [m]
        public readonly double LaserPowerKilowatts;          // 레이저 발진 파워 [kW]

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ShackHartmannWavefrontTelemetryState(
            double rmsErr, double tip, double tilt, double cn2, double dist, double power)
        {
            RmsWavefrontErrorNanometers = rmsErr;
            TipSlopeMilliRad = tip;
            TiltSlopeMilliRad = tilt;
            AtmosphericCn2 = cn2;
            TargetDistanceMeters = dist;
            LaserPowerKilowatts = power;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 적응광학 구동 명령 (FSM 2축 및 변형거울 대표 모드 전압)
    /// </summary>
    public readonly ref struct AdaptiveOpticsDeformableMirrorCommand
    {
        public readonly double FsmTipCommandMilliRad;        // 고속 조향거울 X축 제어각 [mrad]
        public readonly double FsmTiltCommandMilliRad;       // 고속 조향거울 Y축 제어각 [mrad]
        public readonly double MeanActuatorVoltageVolts;     // 128채널 피에조 평균 구동 전압 [V]
        public readonly double PeakActuatorVoltageVolts;     // 최대 구동 채널 전압 [V]
        public readonly double CorrectedStrehlRatio;         // 보정 후 스트렐 비(Strehl Ratio)
        public readonly bool IsThermalBloomCompensated;      // 열 블루밍 역보정 수렴 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AdaptiveOpticsDeformableMirrorCommand(
            double fsmTip, double fsmTilt, double vMean, double vPeak, double strehl, bool compensated)
        {
            FsmTipCommandMilliRad = fsmTip;
            FsmTiltCommandMilliRad = fsmTilt;
            MeanActuatorVoltageVolts = vMean;
            PeakActuatorVoltageVolts = vPeak;
            CorrectedStrehlRatio = strehl;
            IsThermalBloomCompensated = compensated;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 주기 고출력 대공 레이저 변형거울 적응광학 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct DirectedEnergyLaserAdaptiveOpticsServoEngine
    {
        private const double MaxActuatorVoltage = 150.0;   // 피에조 최대 전압 [V]
        private const double MinActuatorVoltage = 0.0;     // 피에조 최소 전압 [V]
        private const double BaseBiasVoltage = 75.0;       // 중앙 바이어스 전압 [V]
        private const double LeakyFactor = 0.002;          // 누설 적분기 팩터

        private double _accumulatedDefocusVoltage;
        private double _accumulatedAstigmatismVoltage;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AdaptiveOpticsDeformableMirrorCommand CalculateServoControl(
            in ShackHartmannWavefrontTelemetryState state, double dtSeconds)
        {
            // 1. FSM 팁-틸트 고속 조향 미러 보정 (1차 모드)
            double fsmTipCorrection = -0.92 * state.TipSlopeMilliRad;
            double fsmTiltCorrection = -0.92 * state.TiltSlopeMilliRad;

            // 2. 변형 거울(DM) 고차 제르니케 모드 보정 (디포커스 및 비점수차)
            // RMS 오차에 비례한 피에조 스트로크 연산 (100nm 파면당 약 5V 필요)
            double highOrderWfeNm = Math.Max(0.0, state.RmsWavefrontErrorNanometers - 20.0);
            double deltaDefocusVoltage = 0.05 * highOrderWfeNm;

            _accumulatedDefocusVoltage = (1.0 - LeakyFactor) * _accumulatedDefocusVoltage + 0.18 * deltaDefocusVoltage;
            _accumulatedAstigmatismVoltage = (1.0 - LeakyFactor) * _accumulatedAstigmatismVoltage + 0.12 * (state.TipSlopeMilliRad * 10.0);

            double meanVoltage = BaseBiasVoltage + _accumulatedDefocusVoltage;
            meanVoltage = Math.Clamp(meanVoltage, MinActuatorVoltage, MaxActuatorVoltage);

            double peakVoltage = meanVoltage + Math.Abs(_accumulatedAstigmatismVoltage);
            peakVoltage = Math.Clamp(peakVoltage, MinActuatorVoltage, MaxActuatorVoltage);

            // 3. 마레샬(Marechal) 근사를 이용한 스트렐 비율(Strehl Ratio) 산출
            // Strehl ~= exp(- (2*pi*sigma / lambda)^2)
            double sigmaMicrons = (state.RmsWavefrontErrorNanometers * 0.15) / 1000.0; // 보정 후 잔여 RMS
            double phaseVariance = Math.Pow((2.0 * Math.PI * sigmaMicrons) / 1.064, 2.0);
            double strehlRatio = Math.Exp(-phaseVariance);
            strehlRatio = Math.Clamp(strehlRatio, 0.05, 0.98);

            bool isCompensated = strehlRatio > 0.80;

            return new AdaptiveOpticsDeformableMirrorCommand(
                fsmTipCorrection,
                fsmTiltCorrection,
                meanVoltage,
                peakVoltage,
                strehlRatio,
                isCompensated
            );
        }
    }
}