광음향 분광학(PAS) 미량 화학작용제 탐지 & 1,000Hz 0-Alloc C# 헬름홀츠 공진 록인 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Spectroscopy
{
    /// <summary>
    /// PAS 화학작용제 탐지 텔레메트리 구조체 (16-byte 스택 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct PasDetectionState
    {
        public readonly float GasConcentrationPpb; // 복조된 가스 농도 (ppb)
        public readonly float SignalRmsMicroVolt;   // 음향 신호 유효치 (uV)
        public readonly float ResonantFreqHz;       // 추종된 공진 주파수 (Hz)
        public readonly bool DangerAlarmTriggered;  // 위험 농도 경보 발령

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PasDetectionState(float ppb, float rms, float freq, bool alarm)
        {
            GasConcentrationPpb = ppb;
            SignalRmsMicroVolt = rms;
            ResonantFreqHz = freq;
            DangerAlarmTriggered = alarm;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz Zero-Allocation 광음향 분광학(PAS) 디지털 록인 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PasLockInServoEngine
    {
        private float _modulationFreqHz;        // 레이저 변조 주파수 (e.g. 2500 Hz)
        private readonly float _cellSensitivity;// 셀 음향 감도 (uV / ppb)
        private float _lastPpb;                 // 직전 농도치

        private const float DangerThresholdPpb = 5.0f; // 화생방 위험 경보 기준치

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PasLockInServoEngine(float initialFreqHz, float sensitivity)
        {
            _modulationFreqHz = initialFreqHz;
            _cellSensitivity = sensitivity;
            _lastPpb = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1ms 주기(1,000Hz) 1ms 간 누적된 마이크로폰 ADC 버퍼 직교 위상 록인 복조 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PasDetectionState Update1Khz(ReadOnlySpan<float> micBuffer, float sampleRateHz)
        {
            float sumX = 0.0f;
            float sumY = 0.0f;
            float dt = 1.0f / sampleRateHz;
            float omega = 2.0f * MathF.PI * _modulationFreqHz;

            // 1) 직교 위상 동조 적분 (In-phase & Quadrature Lock-In)
            for (int i = 0; i < micBuffer.Length; i++)
            {
                float t = i * dt;
                float refCos = MathF.Cos(omega * t);
                float refSin = MathF.Sin(omega * t);
                sumX += micBuffer[i] * refCos;
                sumY += micBuffer[i] * refSin;
            }

            int n = micBuffer.Length;
            float x = (2.0f / n) * sumX;
            float y = (2.0f / n) * sumY;

            // 2) 신호 진폭 R = sqrt(X^2 + Y^2) 계산 (uV 단위 변환)
            float signalRmsUv = MathF.Sqrt(x * x + y * y) * 1e6f;

            // 3) 셀 감도 계수로부터 화학작용제 농도 (ppb) 환산
            float concentrationPpb = signalRmsUv / _cellSensitivity;
            _lastPpb += (concentrationPpb - _lastPpb) * 0.2f;

            // 4) 5ppb 초과 시 즉각 생화학 경보 트리거
            bool isAlarm = _lastPpb > DangerThresholdPpb;

            return new PasDetectionState(_lastPpb, signalRmsUv, _modulationFreqHz, isAlarm);
        }
    }
}