무스핀교환완화(SERF) 루비듐 원자 자력계 펨토테슬라($\text{fT}$) 뇌자도(MEG) & 1,000Hz 0-Alloc C# 3축 헬름홀츠 지자기($50\,\mu\text{T}$) 능동 소거 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumSensing
{
    /// 

    /// 1,000Hz SERF 원자 자력계 펨토테슬라 뇌자도(MEG) 및 3축 헬름홀츠 코일 지자기 능동 소거 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct SerfAtomicMagnetometerServo
    {
        // 양자 물리 상수
        private const float GyromagneticRatioRb87HzPerNt = 28.0f; // Rb87 자력 감도
        private const float EarthFieldNominalNt = 50000.0f;       // 지구자기장 50 uT
        private const float TargetSerfThresholdNt = 10.0f;        // SERF 구동 임계치 (10 nT 이하)
        private const float CoilCoeffNtPerMa = 120.0f;            // 헬름홀츠 코일 자계 계수 (nT/mA)

        // 서보 제어 상태
        public float ResidualFieldXNt;
        public float ResidualFieldYNt;
        public float ResidualFieldZNt;
        public float CommandedCoilCurrentXMa;
        public float CommandedCoilCurrentYMa;
        public float CommandedCoilCurrentZMa;
        public float DemodulatedBioSignalFt;                      // 복조된 뇌자도 신호 (fT)
        public bool IsSerfConditionLocked;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            ResidualFieldXNt = 50.0f;
            ResidualFieldYNt = 50.0f;
            ResidualFieldZNt = EarthFieldNominalNt;
            CommandedCoilCurrentXMa = 0.0f;
            CommandedCoilCurrentYMa = 0.0f;
            CommandedCoilCurrentZMa = EarthFieldNominalNt / CoilCoeffNtPerMa;
            DemodulatedBioSignalFt = 0.0f;
            IsSerfConditionLocked = false;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: 균형 광다이오드(BPD) 차동 신호로부터 잔류 자계 역산 및 3축 보정 전류 서보 출력
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepQuantumControl(
            float bpdDiffVoltageMv, 
            float fluxgateXNt, 
            float fluxgateYNt, 
            float fluxgateZNt,
            out float currentCmdXMa, 
            out float currentCmdYMa, 
            out float currentCmdZMa, 
            out float measuredBrainFieldFt)
        {
            ResidualFieldXNt = fluxgateXNt;
            ResidualFieldYNt = fluxgateYNt;
            ResidualFieldZNt = fluxgateZNt;

            // 1. 3축 헬름홀츠 코일 고속 능동 상쇄 PID 루프 (Zero-Alloc 스택 계산)
            // 잔류 자계를 0nT로 수렴시키기 위한 역위상 전류 지령
            const float KpCoil = 0.008f;
            CommandedCoilCurrentXMa += ResidualFieldXNt * KpCoil;
            CommandedCoilCurrentYMa += ResidualFieldYNt * KpCoil;
            CommandedCoilCurrentZMa += ResidualFieldZNt * KpCoil;

            currentCmdXMa = CommandedCoilCurrentXMa;
            currentCmdYMa = CommandedCoilCurrentYMa;
            currentCmdZMa = CommandedCoilCurrentZMa;

            // 2. SERF 무이완 조건 검증: 3축 총 잔류 자계 크기 < 10 nT
            float totalResidualNt = MathF.Sqrt(ResidualFieldXNt * ResidualFieldXNt + 
                                               ResidualFieldYNt * ResidualFieldYNt + 
                                               ResidualFieldZNt * ResidualFieldZNt);

            IsSerfConditionLocked = totalResidualNt < TargetSerfThresholdNt;

            // 3. 패러데이 회전각 전압 신호로부터 뇌자도(fT) 복조
            if (IsSerfConditionLocked)
            {
                // 선형 변환 감도: 1mV = 250 fT
                const float VoltsToFtSlope = 250.0f;
                DemodulatedBioSignalFt = bpdDiffVoltageMv * VoltsToFtSlope;
            }
            else
            {
                // SERF 미진입 시 신호 감쇄
                DemodulatedBioSignalFt = 0.0f;
            }

            measuredBrainFieldFt = DemodulatedBioSignalFt;
        }
    }
}