SpectraRust/src/synspec/math/extprf.rs

//! 谱线轮廓波长外推函数。
//!
//! 重构自 SYNSPEC `extprf.f`
//!
//! 在 Shamey 或 Barnard, Cooper, Smith 表中进行波长外推。
//! 使用 Cooper 建议的特殊公式。

/// Cooper 外推公式计算谱线轮廓。
///
/// # 参数
///
/// * `dlam` - 波长偏移
/// * `it` - 温度索引 (1-4)
/// * `iline` - 谱线索引 (1-4)
/// * `anel` - 电子密度对数参数
/// * `dlast` - 最后一个波长点
/// * `plast` - 最后一个轮廓值
///
/// # 返回值
///
/// 外推的谱线轮廓值
///
/// # Panics
///
/// 如果 `it` 或 `iline` 不在 1-4 范围内会 panic。
///
/// # 算法
///
/// 使用 Cooper 公式：
/// ```text
/// WE = W0(it,iline) * exp(anel * ln(10)) * 1e-16
/// F = |dlast|^2.5 * (plast - WE / (pi * dlast^2))
/// EXTPRF = (WE / pi + F / sqrt(|dlam|)) / dlam^2
/// ```
pub fn extprf(dlam: f64, it: usize, iline: usize, anel: f64, dlast: f64, plast: f64) -> f64 {
    // W0 数组：温度索引 (行) x 谱线索引 (列)
    // Fortran DATA 语句是列优先存储
    const W0: [[f64; 4]; 4] = [
        [1.460, 6.130, 4.040, 2.312], // it=1
        [1.269, 5.150, 3.490, 1.963], // it=2
        [1.079, 4.240, 2.960, 1.624], // it=3
        [0.898, 3.450, 2.470, 1.315], // it=4
    ];

    let it_idx = it - 1; // 转换为 0 索引
    let iline_idx = iline - 1;

    // 获取 W0 值
    let w0_val = W0[it_idx][iline_idx];

    // WE = W0 * 10^anel * 1e-16
    // Fortran: EXP(ANEL*2.3025851) = 10^ANEL (因为 ln(10) ≈ 2.3025851)
    let we = w0_val * (anel * std::f64::consts::LN_10).exp() * 1e-16;

    // 使用 PI 的精确值
    const PI: f64 = std::f64::consts::PI;

    let dlasta = dlast.abs();
    // D52 = |dlast|^2.5 = |dlast|^2 * sqrt(|dlast|)
    let d52 = dlasta * dlasta * dlasta.sqrt();

    // F = D52 * (plast - WE / (pi * dlast^2))
    let f = d52 * (plast - we / (PI * dlast * dlast));

    // EXTPRF = (WE / pi + F / sqrt(|dlam|)) / dlam^2
    (we / PI + f / dlam.abs().sqrt()) / (dlam * dlam)
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use approx::assert_relative_eq;

    #[test]
    fn test_basic() {
        // 基本测试
        let result = extprf(0.1, 1, 1, 0.0, 0.5, 1.0);
        assert!(result.is_finite());
        assert!(result > 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_different_it_with_large_anel() {
        // 使用大的 anel 值使 W0 差异显现
        // WE = W0 * 10^anel * 1e-16，当 anel 大时 W0 差异才明显
        let anel = 10.0; // 10^10 = 1e10 倍放大
        let base = extprf(0.1, 1, 1, anel, 0.5, 1.0);
        let t2 = extprf(0.1, 2, 1, anel, 0.5, 1.0);
        let t3 = extprf(0.1, 3, 1, anel, 0.5, 1.0);
        let t4 = extprf(0.1, 4, 1, anel, 0.5, 1.0);

        // 不同温度索引应该产生不同结果
        assert!((base - t2).abs() > 1e-10, "IT=1 vs IT=2 should differ");
        assert!((t2 - t3).abs() > 1e-10, "IT=2 vs IT=3 should differ");
        assert!((t3 - t4).abs() > 1e-10, "IT=3 vs IT=4 should differ");
    }

    #[test]
    fn test_different_iline_with_large_anel() {
        // 使用大的 anel 值使 W0 差异显现
        let anel = 10.0;
        let l1 = extprf(0.1, 1, 1, anel, 0.5, 1.0);
        let l2 = extprf(0.1, 1, 2, anel, 0.5, 1.0);
        let l3 = extprf(0.1, 1, 3, anel, 0.5, 1.0);
        let l4 = extprf(0.1, 1, 4, anel, 0.5, 1.0);

        // 不同谱线索引应该产生不同结果
        assert!((l1 - l2).abs() > 1e-10, "ILINE=1 vs ILINE=2 should differ");
        assert!((l2 - l3).abs() > 1e-10, "ILINE=2 vs ILINE=3 should differ");
        assert!((l3 - l4).abs() > 1e-10, "ILINE=3 vs ILINE=4 should differ");
    }

    #[test]
    fn test_with_anel() {
        // 测试带电子密度参数
        // 注意：anel 增加时 WE 增加但 F 项可能减小，所以结果不一定增加
        // 这里测试 anel 确实影响结果
        let zero = extprf(0.1, 1, 1, 0.0, 0.5, 1.0);
        let pos = extprf(0.1, 1, 1, 15.0, 0.5, 1.0);

        // anel 变化应该改变结果（不验证方向，只验证变化）
        assert!((pos - zero).abs() > 1e-6, "anel=15 should change the result");
    }

    #[test]
    fn test_symmetry() {
        // 测试正负 dlast 的对称性
        let pos = extprf(0.1, 1, 1, 0.0, 0.5, 1.0);
        let neg = extprf(0.1, 1, 1, 0.0, -0.5, 1.0);

        // 由于 dlast 使用 abs()，结果应该相同
        assert_relative_eq!(pos, neg, epsilon = 1e-14);
    }

    #[test]
    fn test_w0_values() {
        // 验证 W0 数组值正确
        // 直接测试：当 anel 很大且 plast=0 时，结果主要由 WE 决定
        let anel = 20.0;
        let plast = 0.0; // 消除 F 项

        // W0(1,1) = 1.460, W0(2,1) = 1.269, 比例 = 1.460/1.269
        let r1 = extprf(0.1, 1, 1, anel, 0.5, plast);
        let r2 = extprf(0.1, 2, 1, anel, 0.5, plast);

        // 比例应该接近 W0 比例
        let ratio = r1 / r2;
        let expected_ratio = 1.460 / 1.269;
        assert_relative_eq!(ratio, expected_ratio, epsilon = 1e-6);
    }
}