극초단파 플라스마 메타표면(Microwave Plasma Metasurface) 전자기파 흡수·반사 위상 변조 & 1,000Hz 0-Alloc C# 전파 스텔스 임베디드 시뮬레이터

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Defense.Stealth
{
    /// <summary>
    /// 입사 전자기파 및 대기 환경 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// </summary>
    public readonly ref struct ThreatRadarTelemetry
    {
        public readonly float RadarFrequencyGhz;   // [GHz] 위협 레이더 중심 주파수 (예: 10.0 GHz)
        public readonly float IncidentAngleDeg;    // [deg] 레이더파 입사각 (예: 0~60 deg)
        public readonly float AmbientPressureKpa;  // [kPa] 주변 기압 (고도에 따른 충돌 주파수 보정)
        public readonly float CellPitchMm;         // [mm] 메타표면 단위 셀 주기 (예: 10mm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ThreatRadarTelemetry(
            float radarFrequencyGhz,
            float incidentAngleDeg,
            float ambientPressureKpa,
            float cellPitchMm)
        {
            RadarFrequencyGhz = radarFrequencyGhz;
            IncidentAngleDeg = incidentAngleDeg;
            AmbientPressureKpa = ambientPressureKpa;
            CellPitchMm = cellPitchMm;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 메타표면 스텔스 최적화 제어 연산 결과 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct MetasurfaceControlResult
    {
        public readonly float MonostaticRcsReductionDb; // [dB] 레이더 후방 산란 RCS 감쇄량
        public readonly float AnomalousReflectionAngleDeg; // [deg] 이상 반사각
        public readonly float TargetPhaseGradientRadPerM;  // [rad/m] 최적 위상 구배
        public readonly float AverageDischargeCurrentMa;   // [mA] 평균 플라스마 방전 전류
        public readonly bool IsPhaseConditionLocked;       // 역위상 상쇄 조건 충족 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MetasurfaceControlResult(
            float monostaticRcsReductionDb,
            float anomalousReflectionAngleDeg,
            float targetPhaseGradientRadPerM,
            float averageDischargeCurrentMa,
            bool isPhaseConditionLocked)
        {
            MonostaticRcsReductionDb = monostaticRcsReductionDb;
            AnomalousReflectionAngleDeg = anomalousReflectionAngleDeg;
            TargetPhaseGradientRadPerM = targetPhaseGradientRadPerM;
            AverageDischargeCurrentMa = averageDischargeCurrentMa;
            IsPhaseConditionLocked = isPhaseConditionLocked;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 실시간 마이크로파 플라스마 메타표면 위상 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PlasmaMetasurfaceStealthEngine
    {
        private const float SpeedOfLight = 2.99792458e8f; // [m/s]
        private const float ElementaryCharge = 1.602176634e-19f; // [C]
        private const float ElectronMass = 9.1093837e-31f; // [kg]
        private const float EpsilonZero = 8.854187817e-12f; // [F/m]

        public const int CellCount = 32; // 메타표면 1차원 위상 제어 채널 수

        /// <summary>
        /// 1ms 주기 위상 최적화 및 32채널 플라스마 PWM 전류 할당 루프
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MetasurfaceControlResult Update(
            in ThreatRadarTelemetry telemetry,
            Span<float> outCellPwmCurrentMa)
        {
            if (outCellPwmCurrentMa.Length < CellCount)
            {
                return new MetasurfaceControlResult(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, false);
            }

            // 1. 파장 및 전자기파 각주파수 계산
            float freqHz = telemetry.RadarFrequencyGhz * 1e9f;
            float lambdaMeters = SpeedOfLight / freqHz;
            float omega = 2.0f * MathF.PI * freqHz;

            // 2. 대기압 기반 전자 충돌 주파수 nu_en 추정 (Drude 충돌항)
            // 지상(101.3kPa)에서 약 10^11 rad/s, 고도 10km(26kPa)에서 감소
            float collisionFreqNu = 1.0e11f * (telemetry.AmbientPressureKpa / 101.325f);

            // 3. 목표 이상 반사각 설정 (입사파 방향 theta_inc 반대편 70도로 빔 분산)
            float thetaIncRad = telemetry.IncidentAngleDeg * (MathF.PI / 180.0f);
            float targetReflRad = 70.0f * (MathF.PI / 180.0f); // 비위협 방향

            // 일반화된 스넬의 법칙: sin(theta_r) - sin(theta_i) = (lambda / 2*pi) * (dPhi/dx)
            float phaseGradient = (2.0f * MathF.PI / lambdaMeters) * (MathF.Sin(targetReflRad) - MathF.Sin(thetaIncRad));

            // 4. 단위 셀별 요구 위상 편이 계산 및 플라스마 방전 전류 매핑
            float cellPitchMeters = telemetry.CellPitchMm * 1e-3f;
            float totalCurrentMa = 0.0f;
            float complexFieldReal = 0.0f;
            float complexFieldImag = 0.0f;

            for (int i = 0; i < CellCount; i++)
            {
                float xPos = i * cellPitchMeters;
                // 위상 (0 ~ 2*pi 정규화)
                float desiredPhase = (phaseGradient * xPos) % (2.0f * MathF.PI);
                if (desiredPhase < 0.0f) desiredPhase += 2.0f * MathF.PI;

                // 위상 변조도에 대응하는 전자 밀도 n_e 및 드루드 주파수 계산
                // n_e = (omega^2 * epsilon_0 * m_e / e^2) * f(desiredPhase)
                float normalizedPhase = desiredPhase / (2.0f * MathF.PI);
                float requiredNe = 1.0e18f + (normalizedPhase * 8.0e18f); // 10^18 ~ 9*10^18 m^-3

                // 플라스마 방전 전류 매핑 (J = n_e * e * v_d)
                float cellCurrentMa = Math.Clamp(requiredNe * 1.5e-17f, 10.0f, 150.0f);
                outCellPwmCurrentMa[i] = cellCurrentMa;
                totalCurrentMa += cellCurrentMa;

                // 후방 산란 전기장 벡터 합산 (RCS 추정)
                complexFieldReal += MathF.Cos(desiredPhase);
                complexFieldImag += MathF.Sin(desiredPhase);
            }

            float avgCurrentMa = totalCurrentMa / CellCount;

            // 5. 모노스태틱 RCS 감쇄량 산출
            float fieldMagnitudeSq = (complexFieldReal * complexFieldReal + complexFieldImag * complexFieldImag) / (CellCount * CellCount);
            if (fieldMagnitudeSq < 1e-5f) fieldMagnitudeSq = 1e-5f; // -50dB 리미트

            float rcsReductionDb = -10.0f * MathF.Log10(fieldMagnitudeSq);
            bool isLocked = rcsReductionDb >= 15.0f;

            return new MetasurfaceControlResult(
                monostaticRcsReductionDb: rcsReductionDb,
                anomalousReflectionAngleDeg: targetReflRad * (180.0f / MathF.PI),
                targetPhaseGradientRadPerM: phaseGradient,
                averageDischargeCurrentMa: avgCurrentMa,
                isPhaseConditionLocked: isLocked
            );
        }
    }
}