수중 음향 수렴대(Convergence Zone) 벨-사운드 굴절 전파 & 1,000Hz 0-Alloc C# 심해 능동 소나 표적 방위 추정 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Defense.Sonar
{
    /// 

    /// 수중 음향 수렴대(Convergence Zone) 굴절 음선 추적 및 소나 빔 조향 엔진 (0-Alloc C#)
    /// 
    public ref struct AcousticConvergenceZoneEngine
    {
        private readonly double _soundSpeedMin;      // SOFAR 축 음속 (m/s)
        private readonly double _sofarAxisDepth;      // SOFAR 축 수심 (m)
        private readonly double _surfaceSoundSpeed;  // 해수면 음속 (m/s)
        private readonly double _bottomSoundSpeed;   // 심해저 음속 (m/s)
        private readonly double _maxDepth;           // 최대 해양 수심 (m)

        private double _estimatedCzRangeKm;
        private double _optimalLaunchAngleDeg;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AcousticConvergenceZoneEngine(
            double soundSpeedMin,
            double sofarAxisDepth,
            double surfaceSoundSpeed,
            double bottomSoundSpeed,
            double maxDepth)
        {
            _soundSpeedMin = soundSpeedMin;
            _sofarAxisDepth = sofarAxisDepth;
            _surfaceSoundSpeed = surfaceSoundSpeed;
            _bottomSoundSpeed = bottomSoundSpeed;
            _maxDepth = maxDepth;
            _estimatedCzRangeKm = 0.0;
            _optimalLaunchAngleDeg = 0.0;
        }

        /// 

        /// 송신기 투하 수심과 발사각을 기반으로 단일 수렴대 루프 거리 및 심해 반전 심도를 계산 (1,000Hz)
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void CalculateCzRayStep(
            double sourceDepthMeters,
            double launchAngleDeg,
            out double czRangeKm,
            out double bottomTurningDepth,
            out bool isCzFormed)
        {
            double rad = launchAngleDeg * (Math.PI / 180.0);
            
            // 소스 수심에서의 음속 선형 보간 근사
            double cSource = sourceDepthMeters < _sofarAxisDepth
                ? _surfaceSoundSpeed - ((_surfaceSoundSpeed - _soundSpeedMin) * (sourceDepthMeters / _sofarAxisDepth))
                : _soundSpeedMin + ((_bottomSoundSpeed - _soundSpeedMin) * ((sourceDepthMeters - _sofarAxisDepth) / (_maxDepth - _sofarAxisDepth)));

            // 스넬 불변량 xi = cos(theta) / c
            double xi = Math.Cos(rad) / Math.Max(cSource, 1400.0);

            // 심해 반전점 (theta = 0, 즉 cos(theta) = 1)에서의 음속: c_turn = 1 / xi
            double cTurning = 1.0 / Math.Max(xi, 1e-6);

            // 수렴대 형성 조건: c_turn <= c_bottom (바닥에 닿기 전에 굴절되어야 함)
            isCzFormed = cTurning <= _bottomSoundSpeed && cTurning >= _soundSpeedMin;

            if (isCzFormed)
            {
                // 심해 반전 심도
                bottomTurningDepth = _sofarAxisDepth + ((_maxDepth - _sofarAxisDepth) * ((cTurning - _soundSpeedMin) / (_bottomSoundSpeed - _soundSpeedMin)));
                
                // 수렴대 평균 거리 근사 모델: R_cz = pi * sqrt( (2 * H * c_axis) / |dc/dz| )
                double meanGrad = (_bottomSoundSpeed - _soundSpeedMin) / Math.Max(_maxDepth - _sofarAxisDepth, 100.0);
                double halfCycle = (cTurning * Math.Sin(rad)) / Math.Max(meanGrad, 1e-4);
                czRangeKm = (halfCycle * 4.0) / 1000.0; // 1 완전 사이클 거리
            }
            else
            {
                bottomTurningDepth = _maxDepth;
                czRangeKm = 0.0;
            }

            _estimatedCzRangeKm = czRangeKm;
            _optimalLaunchAngleDeg = launchAngleDeg;
        }

        public double EstimatedCzRangeKm => _estimatedCzRangeKm;
    }
}