양자 카스케이드 레이저(QCL) 부띠간(Intersubband) 광학 전이 & 1,000Hz 0-Alloc C# 중적외선 가스 분광 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Optics.Qcl
{
    /// 

    /// QCL 광학 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct QclTelemetry
    {
        public readonly float TransmittedIntensity; // [정규화] 0.0~1.0 광투과도
        public readonly float Wms2fSignalAmplitude; // [V] 파장 변조 2f 흡수 피크 신호
        public readonly float QclSubmountTempC;     // [C] QCL 칩 서미스터 온도
        public readonly float QclDriveCurrentMa;    // [mA] 레이저 주입 전류
        public readonly float AmbientPressureAtm;   // [atm] 주변 기압 (압력 선폭 브로드닝)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public QclTelemetry(
            float transmittedIntensity,
            float wms2fSignalAmplitude,
            float qclSubmountTempC,
            float qclDriveCurrentMa,
            float ambientPressureAtm)
        {
            TransmittedIntensity = transmittedIntensity;
            Wms2fSignalAmplitude = wms2fSignalAmplitude;
            QclSubmountTempC = qclSubmountTempC;
            QclDriveCurrentMa = qclDriveCurrentMa;
            AmbientPressureAtm = ambientPressureAtm;
        }
    }

    /// 

    /// QCL 가스 분광 제어 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct QclControlResult
    {
        public readonly float CommandedTecCurrentAmps; // [A] TEC 온도 제어 전류
        public readonly float CommandedCurrentDeltaMa; // [mA] 파장 미세 튜닝 주입 전류
        public readonly float CalculatedGasConcentrationPpm; // [ppm] 계산된 표적 가스 농도
        public readonly float CenterWavelengthUm;      // [um] 현재 중심 방출 파장
        public readonly bool IsAbsorptionPeakLocked;   // 가스 흡수선 중심 잠금 플래그
        public readonly bool IsToxicGasAlarmTriggered;  // 독성 가스 경보 트리거

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public QclControlResult(
            float commandedTecCurrentAmps,
            float commandedCurrentDeltaMa,
            float calculatedGasConcentrationPpm,
            float centerWavelengthUm,
            bool isAbsorptionPeakLocked,
            bool isToxicGasAlarmTriggered)
        {
            CommandedTecCurrentAmps = commandedTecCurrentAmps;
            CommandedCurrentDeltaMa = commandedCurrentDeltaMa;
            CalculatedGasConcentrationPpm = calculatedGasConcentrationPpm;
            CenterWavelengthUm = centerWavelengthUm;
            IsAbsorptionPeakLocked = isAbsorptionPeakLocked;
            IsToxicGasAlarmTriggered = isToxicGasAlarmTriggered;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 QCL 가스 분광 파장 잠금 서보 엔진
    /// 
    public ref struct QclSpectroscopyEngine
    {
        private const float TargetAbsorptionWavelengthUm = 9.850f; // [um] 신경작용제 흡수 피크
        private const float TargetSubmountTempC = 22.5f;           // [C] 공진 파장 기준 온도
        private const float AbsorptionCrossSection = 1.2e-18f;     // [cm^2/molecule]
        private const float PathLengthCm = 1000.0f;                // [cm] 10m 광경로
        private const float ToxicAlarmThresholdPpm = 5.0f;         // [ppm] 치사 한계 경보

        /// 

        /// 1ms 주기 2f 피크 추적, 농도 역산 및 TEC/전류 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public QclControlResult Update(in QclTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 현재 중심 파장 추정 (온도 및 전류 결합 튜닝식)
            // lambda = lambda0 + (dLambda/dT)*delta_T + (dLambda/dI)*delta_I
            float tempDelta = telemetry.QclSubmountTempC - TargetSubmountTempC;
            float currentDelta = telemetry.QclDriveCurrentMa - 450.0f;

            float currentWavelengthUm = TargetAbsorptionWavelengthUm + (tempDelta * 0.0008f) + (currentDelta * 0.00004f);
            float wavelengthError = TargetAbsorptionWavelengthUm - currentWavelengthUm;

            // 2. WMS 2f 신호로부터 비어-람베르트 가스 농도 역산
            // Transmittance = I / I0 = exp(-sigma * N * L)  ==>  N = -ln(T) / (sigma * L)
            float safeTrans = Math.Clamp(telemetry.TransmittedIntensity, 0.001f, 1.0f);
            float absorbance = -MathF.Log(safeTrans);

            // ppm 환산 (이상기체 상태방정식 2.45e19 molecules/cm^3 at 1atm 25C)
            float numberDensity = absorbance / (AbsorptionCrossSection * PathLengthCm);
            float gasPpm = (numberDensity / 2.45e19f) * 1e6f;
            gasPpm = MathF.Max(0.0f, gasPpm);

            // 3. TEC 서보: 거친 파장 맞춤 (온도 오차 비례 제어)
            float tecCommand = Math.Clamp(tempDelta * 1.5f, -2.5f, 2.5f);

            // 4. 고속 전류 서보: 미세 파장 오차 1ms 잠금 (25mA/um 감도)
            float currentCommand = Math.Clamp(wavelengthError * 1500.0f, -20.0f, 20.0f);

            bool isPeakLocked = (MathF.Abs(wavelengthError) < 0.001f) && (telemetry.Wms2fSignalAmplitude > 0.05f);
            bool isAlarm = gasPpm >= ToxicAlarmThresholdPpm;

            return new QclControlResult(
                commandedTecCurrentAmps: tecCommand,
                commandedCurrentDeltaMa: currentCommand,
                calculatedGasConcentrationPpm: gasPpm,
                centerWavelengthUm: currentWavelengthUm,
                isAbsorptionPeakLocked: isPeakLocked,
                isToxicGasAlarmTriggered: isAlarm
            );
        }
    }
}