LIGO 중력파 간섭계 광학 스프링(Optical Spring) & 1,000Hz 0-Alloc C# 다단 진자 지진 격리 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AstroPhysics
{
    /// <summary>
    /// LIGO 아암 공동 PDH 에러 신호 및 서스펜션 센서 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct LigoInterferometerSensorFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double PdhErrorVolts;        // PDH 복조 에러 신호 (V)
        public readonly double MirrorVelocity_m_s;   // 거울 수평 속도 (m/s)
        public readonly double ArmPowerWatts;        // 순환 광전력 (W, 예: 800,000W)
        public readonly double SeismicMotionNm;      // 기저 바닥 지진 변위 (nm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LigoInterferometerSensorFrame(double timestamp, double pdh, double vel, double power, double seismic)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            PdhErrorVolts = pdh;
            MirrorVelocity_m_s = vel;
            ArmPowerWatts = power;
            SeismicMotionNm = seismic;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 정전기 액추에이터(ESD) 및 보이스코일 서스펜션 제어 출력
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct LigoSuspensionControlOutput
    {
        public readonly double CavityDisplacementFemtometers; // 공동 변위 오차 (fm)
        public readonly double OpticalSpringForceNewtons;     // 추정 광학 스프링 힘 (N)
        public readonly double EsdCommandForceNewtons;        // ESD 정전기 보정 힘 (N)
        public readonly double EsdVoltageVolts;               // ESD 인가 전압 (V)
        public readonly bool IsCavityLockMaintained;          // 공동 록인 유지 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LigoSuspensionControlOutput(double dL_fm, double fOpt, double fEsd, double vEsd, bool isLocked)
        {
            CavityDisplacementFemtometers = dL_fm;
            OpticalSpringForceNewtons = fOpt;
            EsdCommandForceNewtons = fEsd;
            EsdVoltageVolts = vEsd;
            IsCavityLockMaintained = isLocked;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# LIGO 광학 스프링 능동 감쇠 및 공동 잠금 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct LigoOpticalSpringServoEngine
    {
        private const double TestMassKg = 40.0;          // 퓨즈드 실리카 거울 질량 40kg
        private const double SpeedOfLight = 299792458.0; // 광속 c (m/s)
        private const double LaserWavelength = 1064e-9;  // 1064nm
        private const double PdhSensitivity = 1e-15;     // 1V당 1 펨토미터 (m/V)
        private const double EsdForceConstant = 1.2e-8;  // F = C_esd * V^2 (N/V^2)

        // 능동 댐핑 게인
        private const double Kp = 0.05; // N/m
        private const double Kd = 15.0; // N/(m/s) (음의 댐핑 상쇄 양의 인공 감쇠)

        private double _integralPdh;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _integralPdh = 0.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) PDH 에러 신호 기반 광학 스프링 억제 서보 제어 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LigoSuspensionControlOutput ProcessTick(in LigoInterferometerSensorFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 표준 샘플링
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            // 1. PDH 에러로부터 아암 공동 변위 편차(dL, 펨토미터) 산출
            double dL_meters = frame.PdhErrorVolts * PdhSensitivity;
            double dL_femtometers = dL_meters * 1e15;

            // 적분 오차 누적
            _integralPdh += dL_meters * dt;
            _integralPdh = Math.Clamp(_integralPdh, -1e-12, 1e-12);

            // 2. 순환 광전력에 의한 광학 스프링 힘 추정: F_rad = 2 * P_arm / c
            double nominalRadiationForce = (2.0 * frame.ArmPowerWatts) / SpeedOfLight;
            // 광학 스프링 유효 강성: K_opt ~ 8*pi*P / (lambda * c)
            double kOpt = (8.0 * Math.PI * frame.ArmPowerWatts) / (LaserWavelength * SpeedOfLight);
            double opticalSpringForce = -kOpt * dL_meters;

            // 3. 광학 스프링 음의 댐핑(Negative Damping) 상쇄를 위한 능동 반작용 힘 산출
            // 거울의 속도 방향과 반대로 능동 감쇠력 주입
            double dampingForce = -Kd * frame.MirrorVelocity_m_s;
            double restoringForce = -Kp * dL_meters - 0.01 * _integralPdh;
            double commandForce = dampingForce + restoringForce - opticalSpringForce;

            // 정전기 구동기(ESD) 바이어스 전압 산출: V = sqrt(|F| / C_esd)
            double targetVoltage = Math.Sqrt(Math.Abs(commandForce) / EsdForceConstant);
            targetVoltage = Math.Clamp(targetVoltage, 0.0, 500.0); // 최대 500V 제한

            // 4. 공동 록인 상태 판정 (변위 오차 0.1 펨토미터 이내 유지 여부)
            bool isLocked = Math.Abs(dL_femtometers) < 0.1;

            return new LigoSuspensionControlOutput(
                dL_fm: dL_femtometers,
                fOpt: opticalSpringForce,
                fEsd: commandForce,
                vEsd: targetVoltage,
                isLocked: isLocked
            );
        }
    }
}