대한민국 해군 차기 구축함(KDDX) 300kW급 고에너지 레이저(HEL) 무기체계 파이버 레이저 빔 결합 및 해상 난류 1,000Hz 0-Alloc C# 적응광학(AO) 위상제어 엔진

제1장: 간섭성 빔 결합(CBC) 및 콜모고로프 대기 난류 파면 수식

파장 $\lambda = 1064\,\text{nm}$, 결합 빔 수 $N$, 개별 빔 위상차 $\Delta\phi_i$, 해상 전파 거리 $L$, 굴절률 구조 상수 $C_n^2$, 프라이드 파라미터(Fried Parameter) $r_0$일 때, 원거리 표적 도달 강도 $I_{\text{target}}$ 및 대기 파면 위상 분산 $\sigma_\phi^2$은 다음과 같습니다:

제2장: 확률적 병렬 경사하강법(SPGD) 적응광학 파면 제어

128채널 변형 거울(Deformable Mirror)의 전압 벡터 $\mathbf{u} = [u_1, \dots, u_M]^T$에 미소 섭동 $\delta \mathbf{u} = [\delta u_1, \dots, \delta u_M]^T$을 인가하여 표적 집속 강도 $J(\mathbf{u})$를 극대화하는 SPGD 갱신식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# HEL 적응광학 제어 엔진 아키텍처

1ms 실시간 루프에서 GC 일체 없이 포토다이오드 피드백 신호로부터 SPGD 알고리즘을 연산하고 128개 압전 액추에이터 전압을 산출하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.KddxHel
{
    /// 

    /// 레이저 표적 반사 광도 센서 텔레메트리 (스택 전용 0-Alloc)
    /// 
    public readonly struct LaserSensorTelemetry
    {
        public readonly float TargetSpotIntensityW; // 표적 집속 반사 광도 메트릭 J (W)
        public readonly float AtmosphericCn2;       // 대기 굴절률 구조상수 (m^-2/3)
        public readonly float TargetDistanceM;      // 표적과의 거리 (m)
        public readonly bool ShutterOpen;           // 레이저 방출 셔터 개방 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LaserSensorTelemetry(float spotIntensity, float cn2, float dist, bool shutter)
        {
            TargetSpotIntensityW = spotIntensity;
            AtmosphericCn2 = cn2;
            TargetDistanceM = dist;
            ShutterOpen = shutter;
        }
    }

    /// 

    /// KDDX 300kW 고에너지 레이저 1,000Hz 0-Alloc 적응광학 위상제어 엔진
    /// 
    public ref struct KddxHelAdaptiveOpticsEngine
    {
        public const int NumActuators = 32;       // 핵심 구동 액추에이터 채널 수
        public const float MaxActuatorVoltageV = 150.0f;// 피에조 액추에이터 최대 전압 150V
        public const float PerturbationAmpV = 1.2f;    // SPGD 전압 섭동 진폭 1.2V
        public const float SpgdLearningRate = 0.045f;  // 학습률 감마

        /// 

        /// 1,000Hz 결정론적 SPGD 위상 최적화 및 변형 거울 전압 갱신
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static float EvaluateAdaptiveOptics(
            in LaserSensorTelemetry tel,
            Span actuatorVoltages,
            Span perturbations,
            ref float prevMetric,
            ref int iterationStep)
        {
            if (!tel.ShutterOpen || tel.TargetSpotIntensityW < 0.1f)
            {
                return 0.0f;
            }

            iterationStep++;
            float currentMetric = tel.TargetSpotIntensityW;
            float deltaJ = currentMetric - prevMetric;
            prevMetric = currentMetric;

            // 1. SPGD 전압 갱신: u^(k+1) = u^(k) + gamma * deltaJ * delta_u
            for (int i = 0; i < NumActuators && i < actuatorVoltages.Length; i++)
            {
                float step = SpgdLearningRate * deltaJ * perturbations[i];
                float newV = Math.Clamp(actuatorVoltages[i] + step, -MaxActuatorVoltageV, MaxActuatorVoltageV);
                actuatorVoltages[i] = newV;

                // 2. 다음 1ms 스텝을 위한 베르누이 무작위 섭동 생성 (의사 난수 비트 토글)
                bool sign = ((iterationStep * 1664525 + i * 1013904223) & 0x1) == 1;
                perturbations[i] = sign ? PerturbationAmpV : -PerturbationAmpV;
            }

            // 3. 빔 집중도 지표 반환
            return currentMetric;
        }
    }
}

제4장: 2022 개정 교육과정 연계 교과 융합 지도안 (교사용 가이드)