AIDT 온디바이스 STEM 결맞는 반-스톡스 라만(CARS) 비공명 배경 억제 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Cars
{
    public readonly ref struct CarsSpectrumState
    {
        public readonly double RamanShiftCm1;        // 라만 천이 진동수 (cm^-1)
        public readonly double CarsRawIntensity;     // 원시 CARS 강도
        public readonly double PureRamanSignal;      // 복원된 순수 가상부 Im[chi_R]
        public readonly double NonResonantFraction;  // 비공명 배경 신호(NRB) 비율
        public readonly double LipidConcentration;   // 지질 분자 국소 농도 추정치
        public readonly double OpoTuningVoltageV;    // OPO 파장 튜닝 전압 (V)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CarsSpectrumState(double shift, double raw, double pure, double nrb, double lipid, double volt)
        {
            RamanShiftCm1 = shift;
            CarsRawIntensity = raw;
            PureRamanSignal = pure;
            NonResonantFraction = nrb;
            LipidConcentration = lipid;
            OpoTuningVoltageV = volt;
        }
    }

    public ref struct CarsSpectroscopyEngine
    {
        private const double OmegaLipidCh2 = 2845.0; // 지질 CH2 대칭 신축 진동수 (cm^-1)
        private const double GammaVib = 15.0;        // 분자 진동 선폭 (cm^-1)

        private double _currentShiftCm1;             // 현재 펌프-스톡스 주파수 차이 (cm^-1)
        private double _nrbAmplitude;                // 비공명 배경 진폭 chi_NR

        public CarsSpectroscopyEngine(double initShiftCm1 = 2845.0, double nrbAmp = 0.40)
        {
            _currentShiftCm1 = initShiftCm1;
            _nrbAmplitude = nrbAmp;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CarsSpectrumState StepServo(double targetShiftCm1, double ditherFreqCm1, double dtSec)
        {
            _currentShiftCm1 = targetShiftCm1 + ditherFreqCm1;

            // 1. 복소 감수율 로렌츠 모델 계산
            // chi_R = A_R / (Omega - deltaOmega - i*Gamma)
            double detuning = OmegaLipidCh2 - _currentShiftCm1;
            double denominator = detuning * detuning + GammaVib * GammaVib;
            double chiReal = (detuning / denominator) * 100.0;
            double chiImag = (GammaVib / denominator) * 100.0; // 순수 라만 신호에 비례

            // 2. 비공명 배경과 간섭한 원시 CARS 강도 |chi_NR + chi_R|^2
            double totalReal = _nrbAmplitude * 10.0 + chiReal;
            double totalImag = chiImag;
            double carsIntensity = totalReal * totalReal + totalImag * totalImag;

            // 3. 주파수 변조 디더링 미분 복원 (Kramers-Kronig 대체 간이 선형 복원)
            // dI / dOmega approx 2 * chi_NR * d(Re[chi])/dOmega
            double pureRaman = Math.Max(chiImag * 1.5, 0.0);
            double nrbFraction = Math.Pow(_nrbAmplitude * 10.0, 2.0) / Math.Max(carsIntensity, 1e-4);

            // 4. 지질 농도 정량화 (순수 공명 신호 기반)
            double lipidConc = pureRaman * 0.85;

            // 5. OPO 파장 튜닝 전압 모사
            double tuningVoltage = (_currentShiftCm1 - 2800.0) * 0.20;

            return new CarsSpectrumState(
                shift: _currentShiftCm1,
                raw: carsIntensity,
                pure: pureRaman,
                nrb: nrbFraction,
                lipid: lipidConc,
                volt: tuningVoltage
            );
        }
    }
}