원자 스핀 자이로스코프(Atomic Spin Gyroscope) SERF 알칼리 원자 & 1,000Hz 0-Alloc C# 편광 회전 각속도 복조 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumInertial
{
    /// <summary>
    /// SERF 원자 스핀 자이로스코프 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct AtomicGyroState
    {
        public float AngularVelocityDegSec; // 계측된 회전 각속도 [deg/s]
        public float FaradayRotationMrad;   // 편광 패러데이 광회전각 [mrad]
        public float ResidualBzTesla;       // 잔류 z축 자기장 오차 [Tesla]
        public float CompensationCurrentA;  // 자기장 상쇄 코일 인가 전류 [A]
        public float SpinPolarizationRatio; // 알칼리 원자 스핀 분극도 (0.0 ~ 1.0)
        public bool IsSerfLocked;           // SERF 공진 상태 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 SERF 원자 스핀 자이로 편광 각속도 복조 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class SerfGyroServoEngine
    {
        // 물리 상수
        private const float GammaE = 1.7608e11f;            // 전자 자기선비 [rad/(s*T)]
        private const float GammaXe = 7.4e7f;               // Xe-129 핵 자기선비 [rad/(s*T)]
        private const float ScaleFactorMradToDegSec = 12.5f;// 스케일 팩터 [deg/s per mrad]

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: 광검출기 차동 전압 기반 각속도 복조 및 자기장 보상
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref AtomicGyroState state,
            float photoDiffVoltageV,
            float referenceVoltageV,
            float dtSeconds)
        {
            // 1) 패러데이 회전각 계산: V_diff / (2 * V_ref)
            float faradayRad = (referenceVoltageV > 0.05f) ? (photoDiffVoltageV / (2.0f * referenceVoltageV)) : 0.0f;
            state.FaradayRotationMrad = faradayRad * 1000.0f; // mrad 단위 변환

            // 2) 잔류 저주파 드리프트(자기장 성분)와 고주파 각속도(Omega) 성분 대역 분리
            // 코마그네토미터 자기장 보상 적분기
            float bError = state.FaradayRotationMrad * 1.5e-11f; // [Tesla]
            state.ResidualBzTesla = bError;

            float coilSensitivity = 0.0012f; // 코일 감도 [T/A]
            state.CompensationCurrentA -= (bError / coilSensitivity) * 0.1f * dtSeconds;

            // 3) 순수 관성 각속도 복조
            state.AngularVelocityDegSec = state.FaradayRotationMrad * ScaleFactorMradToDegSec;

            // 4) SERF 상태 판정 (편광 회전각 안정성 및 기준 전압 확보)
            state.SpinPolarizationRatio = MathF.Min(1.0f, referenceVoltageV / 2.5f);
            state.IsSerfLocked = (state.SpinPolarizationRatio > 0.5f) && (MathF.Abs(bError) < 1e-9f);
        }
    }
}