CN101814952B - 一种大气信道中光波传输特性的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种大气信道中光波传输特性的测试方法，属于光学技术领域，用于无线光通信、光学雷达等领域。搭建由激光发射分机、接收分机和数据处理分机组成的测试系统，其中接收分机包括两个独立的接收光路：一路为菲涅耳屏接收光路，由菲涅耳透镜、场镜和I号数字相机组成，用于测试衰减、漂移和扩展；另一路为到达角起伏接收光路，由接收透镜和II号数字相机组成，用于测试到达角起伏。本发明仅采用一套测试装置完成四种湍流效应及衰减效应的测试，对于减少完成大气湍流效应及衰减效应测试所需硬件；降低测试人员、经费和周期；实现测试设备的小型化、轻量化、低功耗；实现快速、便捷、全面的光波传输特性测试均具有重要意义。

Description

一种大气信道中光波传输特性的测试方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，主要用于测试激光光波在近地大气湍流信道中的漂移、扩展、闪烁和到达角起伏湍流效应特性及光功率衰减特性，可用于无线光通信、光学雷达等领域。

背景技术

无线光通信具有高传输码率、保密、抗干扰等特点，在军事及国防领域及民用领域具有非常重要的作用。由于大气信道中存在的大气分子及粒子与传输光波的相互作用，导致激光光波在近地大气湍流信道中传输存在到达角起伏、漂移、扩展、光强起伏等湍流效应和在传输主轴方向上的激光功率衰减等衰减效应。为了有效发挥无线光通信设备性能，为满足当前无线光通信发展的迫切需求，急需开展无线光通信光波传输特性研究。

现有有关光波传输特性测试方面的文献如下：

专利方面：肖黎明等提出了“近地面湍流廓线仪及其测量方法”专利【1】，该专利通过温度脉动传感器测量大气折射率结构常数用以描述湍流强度。但是采用温度脉动传感器只能测量局部大气折射率结构常数，而且还需要多个传感器进行分布式测量。马晓珊等提出了“测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法”专利【2】，该方法通过测量大气闪烁，结合弱湍流情况下，闪烁与大气折射率结构常数的理论关系，得到大气折射率结构常数。采用该方法的测试误差受理论模型误差影响较大。佟首峰等提出了“大气湍流对空间激光通信影响测试装置”专利【3】，该专利主要用于测试不同接收孔径、CCD积分时间和多孔径发射时的大气闪烁方差，但是该方法只能评估大气效应引起的强度起伏，无法评估大气漂移、到达角起伏等相位起伏。谢兴尧等提出了“自准直大气能见度测量方法及系统”专利【4】，该专利通过测量靶标对比度，实现各种天气情况下的能见度测量，但只适用于可见光波段。

论文方面：中科院安徽光机所开展了闪烁【5】、大气折射起伏【6】、湍流尺度【7】、相位畸变【8】等大气参数的测试工作。哈尔滨工业大学为了探讨大气参数对无线光通信ATP性能的影响，开展了光通信到达角起伏的实验研究【9】。

现阶段，大气光学参数测量已经具有良好的研究基础，但大气效应对无线光通信系统性能的影响研究还处于起步阶段。而且国内外有关“光波传输特性测试方法或装置”仅单独针对光波传输特性中的能见度进行测试的方法或装置；或只是单独针对某一种湍流效应(如到达角起伏或漂移或扩展或光强起伏)或其中某一二种湍流效应组合进行测试的方法或装置；尚未查阅到国内外有本发明用一套完整的测试方法及装置完成所有湍流效应(到达角起伏、漂移、扩展、闪烁)及衰减效应测试的方法或装置。

参考文献

【1】肖黎明，翁宁泉，孙刚。“近地面湍流廓线仪及其测量方法”，发明专利，申请号200410066097.2

【2】马晓珊，朱文越，饶瑞中。“测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法”，发明专利，申请号200710024298.X

【3】佟首峰，赵馨，陈纯毅，姜会林。“大气湍流对空间激光通信影响测试装置”，发明专利，申请号200810050575.9

【4】谢兴尧，万海峰，张速。“自准直大气能见度测量方法及系统”，发明专利，申请号200610020115.2

【5】马晓珊，朱文越，饶瑞中，测量折射率结构参数和内尺度的三波长激光闪烁仪，大气与环境光学学报，2007，2(1)：49-54

【6】刘小勤、曾宗泳等.500m激光传输路径大气光学参数遥测系统[J].量子电子学报.2000.17(2)：189-192

【7】梅海平，吴晓庆，饶瑞中，不同地区大气光学湍流内外尺度测量，强激光与粒子束，2006，18(3)：362-366

【8】高宠，谭立英，马晶等.空间光通信的到达角起伏实验研究[J]，强激光与粒子束，2007.19(2)：177-181

【9】何丽萍，王英俭，范承玉，利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变，量子电子学报.2001.18(增刊)：92-96。

发明内容

本发明提供一种大气信道中光波传输特性的测试方法，仅采用一套测试装置完成漂移、闪烁、扩展和到达角起伏四种湍流效应及衰减效应的测试；在保证测试数据的完整、正确和可靠的条件下，能够简化光波传输特性的测试方法。

本发明技术方案如下：

一种大气信道中光波传输特性的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建光波传输特性测试系统；所述测试系统(如图1所示)由架设于大气信道两端的激光发射分机、接收分机和数据处理分机组成，其中激光发射分机由激光光源1和准直光学发射天线2组成。激光接收分机包括两个独立的接收光路：其中一个接收光路为菲涅耳屏接收光路，由菲涅耳透镜3、场镜4和I号数字相机5组成，用于测试衰减、漂移和扩展；另一个接收光路为到达角起伏接收光路，由接收透镜6和II号数字相机7组成，用于测试到达角起伏。两路接收光路通过各自光路支架平行放置，其中菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜3接收激光发射机所发射激光的主光斑，场镜4置于菲涅耳透镜3的焦平面上，I号数字相机5的CCD靶面置于场镜4的焦平面上；到达角起伏接收光路的接收透镜6靠近菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜3，接收激光发射机所发射激光的衍射光斑。数据处理分机8用于处理接收分机的图像数据，得到最终光波传输特性的测试结果。

步骤2：激光发射分机的激光光源1产生的激光经准直光学发射天线2准直发射，穿越整个大气信道。

步骤3：在大气信道的另一端，发射激光的主光斑由菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜3所接收，经场镜4聚焦于I号数字相机5的CCD靶面并实时成像；发射激光的衍射光斑由到达角起伏接收光路的接收透镜6所接收，经接收透镜6聚焦于II号数字相机7的CCD靶面并实时成像。

步骤4：将步骤3中两台数字相机的实时成像数据存储于数据处理分机8，由数据处理分机8完成各项光波传输特性的计算。其中：I号数字相机5的成像数据用于光波传输特性中信道衰减、漂移、闪烁和扩展的计算，II号数字相机7的成像数据用于光波传输特性中到达角起伏的计算。通过计算I号数字相机5的成像数据上接收光斑的灰度值总和估算接收激光功率，再与近场标定的发射激光功率进行对比得到大气衰减；通过计算I号数字相机5的成像数据上接收光斑的能量分布状况得到大气闪烁；通过计算I号数字相机5的成像数据上接收光斑的重心变化情况得到大气漂移；通过计算I号数字相机5的成像数据上接收光斑的半径得到大气扩展。通过计算II号数字相机7的成像数据上接收光斑的重心位置，结合光学镜头参数换算后得到到达角起伏。

本发明提供的大气信道中光波传输特性的测试方法，仅采用一套测试装置完成漂移、闪烁、扩展和到达角起伏四种湍流效应及衰减效应的测试；在保证测试数据的完整、正确和可靠的条件下，能够简化光波传输特性的测试方法。本发明对于减少完成大气湍流效应及衰减效应测试所需硬件；降低测试人员数量、测试经费、测试周期；实现光波传输特性测试设备的小型化、轻量化、低功耗；实现快速、便捷、全面的光波传输特性测试均具有重要意义。本发明可用于无线光通信系统或激光雷达系统中。

附图说明

图1为实现本发明提供的大气信道中光波传输特性的测试方法的测试系统结构示意图。

图2为测试系统中菲涅耳屏接收光路的原理示意图。

图3为测试系统中菲涅耳屏接收光路的安装示意图。

图4为测试系统中到达角起伏接收光路的原理示意图。

具体实施方式

前述技术方案中，步骤1所搭建的光波传输特性测试系统由激光发射分机、激光接收分机和数据处理分机组成。

发射分机的激光光源1采用800nm波段、最大输出功率75mW、功率稳定度优于1％的精密激光光源；发射分机的准直光学发射天线2采用卡赛格伦天线或透射式发射天线，其工作波长800nm波段、光束发散角优于150urad、光束直径小于150mm。

接收分机中，菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜3的接收孔径小于500mm，接收视场半角小于0.50；I号数字相机5的帧频小于100fps。具体光路如图2所示，由菲涅耳透镜3、场镜4和I号数字相机5组成。其中，菲涅耳透镜3的焦距为f1，场镜4的焦距为f2；使用时，场镜4置于菲涅耳透镜3的焦平面上，I号数字相机5的CCD靶面置于场镜4的焦平面上。设计菲涅耳透镜替代常规光学透镜进行大口径全光斑接收，以减轻设备质量。设计场镜进行二次聚焦，在大视场接收条件下，可缩小探测器尺寸。菲涅耳屏接收光路的具体安装如图3所示。菲涅耳透镜通过支架夹持后安置于光路支座上，场镜经支架夹持后与相机连接；I号数字相机5置于相机支架上；相机支架与菲涅耳透镜支架均置于光路支座上。

接收分机中，到达角起伏接收光路的接收透镜6的接收孔径为28mm，焦距为50mm；使用时，II号数字相机7的CCD靶面置于接收透镜6的焦平面上。II号数字相机7的帧频大于100fps。由于到达角起伏是接收孔径内整体波前倾斜的体现，它具有孔径平滑效应，即孔径越大到达角起伏变化越不显著。因此选用接近小湍涡尺度的接收透镜孔径，评价小尺度湍涡引起的剧烈波前倾斜。具体光路如图4所示。到达角起伏接收光与菲涅耳屏接收光路光轴平行，且都置于光路支座上。

步骤4由数据处理分机(8)完成各项光波传输特性的计算时，各光学传输特性的计算方法如下：

A：信道衰减a。

在全光斑接收情况下，远场光斑主能量区尺寸小于接收孔径，所以信道衰减a可由下式估算：

$a=\frac{10}{L}\lg \frac{P_r}{P_{\mathrm{test}}}$

其中，P_test为接收光功率，由I号数字相机5的成像数据的像素灰度值总和估算出；P_r为激光光源1的激光额定输出功率，由发射端光功率计测出；L为大气信道传输距离。

实际测试时，可对单幅I号数字相机5的成像数据进行计算，得到实时的信道衰减；也可以对多幅I号数字相机5的成像数据进行统计计算，结合I号数字相机5的帧频，统计出一定时间内激光传输过程中的信道衰减。

其中接收光功率P_test的估算方法通过实验室标定方法得到，具体过程如下：

步骤11：曝光时间调节。将发射分机与接收分机的菲涅耳屏接收光路紧靠一起，并调节光轴对轴。将I号数字相机曝光时间设置为最小单位。

步骤12：背景光灰度值标定。关闭激光光源1，I号数字相机5曝光时间保持不变，记录背景光图像平均灰度值总和H_B。

步骤13：发射功率与光斑灰度值总和的测量。开启激光光源1，使得激光光源1输出功率达到额定功率，且I号数字相机输出图像的灰度值临界饱和。逐步减小激光光源1的发射功率，直到I号数字相机5输出图像的灰度值接近0。记录I号数字相机5输出图像的灰度值总和H和光功率计测试的激光光源1的输出功率P_s。

步骤14：扣除背景光影响。将图像灰度值总和H减去背景光平均灰度值总和H_B后，得到H_s＝H-H_B与输出功率P_s的对应关系。

步骤15：改变曝光时间，重复步骤11～步骤14，测得多组数据后，对发射功率、曝光时间和灰度值总和进行曲线拟合后，得到如下关系：

P_test×t_e＝3.95+0.00293×H

其中：t_e为曝光时间；H为I号数字相机5输出图像的灰度值总和；P_test为I号数字相机5接收光功率。

B：信道漂移。

信道漂移表现为光斑在CCD靶面上重心位置的起伏变化。

光斑重心位置由下式计算：

$x_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{xh}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}h(x,y)};$ $y_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{yh}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}h(x,y)}$

其中：x_c，y_c为目标重心位置，m、n为I号数字相机5的成像数据长、宽方向的像元数，h(x，y)为象素点对应的灰度值。

实际测试时，可对单幅I号数字相机5的成像数据进行计算，得到实时的漂移值；也可以对多幅I号数字相机5的成像数据进行统计计算，结合I号数字相机5的帧频，统计出一定时间内激光传输过程中光斑的漂移程度。

C：信道扩展。

信道扩展表现为光斑在CCD靶面上半径的变化情况。

光斑半径R由光斑质心惯性矩定义：

$R^2=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{2}h(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}h(x,y)}$

其中，m、n为I号数字相机5的成像数据长、宽方向的像元数；h(x，y)为象素点对应的灰度值；r为点(x，y)至光斑质心距离。

实际测试时，可对单幅I号数字相机5的成像数据进行计算，得到实时的扩展值；也可以对多幅I号数字相机5的成像数据进行统计计算，结合I号数字相机5的帧频，统计出一定时间内激光传输过程中光斑的扩展程度。

D：信道闪烁。

信道闪烁表现为光斑在CCD靶面上能量的起伏变化，光强与图像灰度值成正比，所以信道闪烁计算时以灰度值替代强度计算对数强度方差。

信道闪烁指数根据CCD接收靶面上的光强对数强度方差来表示。

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=\frac{<I^2>-{<I>}^2}{<I^2>}$

其中，<I²>为强度平方的均值；<I>为强度均值。

实际测试时，只能对多幅I号数字相机5的成像数据进行统计计算，结合I号数字相机5的帧频，统计出一定时间内激光传输过程中光斑的闪烁程度。

E：信道到达角起伏α。

信道到达角起伏表现为光束在接收透镜处的入射角度变化情况，它与光斑在II号数字相机7的CCD靶面上重心位置对应。

计算时，通过记录II号数字相机7的CCD靶面上光斑重心位置起伏量Δx或Δy，结合象元尺寸p和接收透镜6的焦距f，可以得到相应到达角α。其计算公式如下：

${\mathrm{\&alpha;}}_x=\frac{\mathrm{\&Delta;x}\&times;p}{f};$ ${\mathrm{\&alpha;}}_y=\frac{\mathrm{\&Delta;y}\&times;p}{f}$

实际测试时，可对单幅II号数字相机7的成像数据进行计算，得到实时的到达角起伏值；也可以对多幅II号数字相机7的成像数据进行统计计算，结合II号数字相机7的帧频，统计出一定时间内激光传输过程中光斑的到达角起伏程度。

Claims (7)

1.一种大气信道中光波传输特性的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建光波传输特性测试系统；所述测试系统由架设于大气信道两端的激光发射分机、接收分机和数据处理分机组成，其中激光发射分机由激光光源(1)和准直光学发射天线(2)组成；激光接收分机包括两个独立的接收光路：其中一个接收光路为菲涅耳屏接收光路，由菲涅耳透镜(3)、场镜(4)和I号数字相机(5)组成，用于测试衰减、漂移和扩展；另一个接收光路为到达角起伏接收光路，由接收透镜(6)和II号数字相机(7)组成，用于测试到达角起伏；两路接收光路通过各自光路支架平行放置，其中菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜(3)接收激光发射分机所发射激光的主光斑，场镜(4)置于菲涅耳透镜(3)的焦平面上，I号数字相机(5)的CCD靶面置于场镜(4)的焦平面上；到达角起伏接收光路的接收透镜(6)靠近菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜(3)，接收激光发射分机所发射激光的衍射光斑；数据处理分机(8)用于处理接收分机的图像数据，得到最终光波传输特性的测试结果；

步骤2：激光发射分机的激光光源(1)产生的激光经准直光学发射天线(2)准直发射，穿越整个大气信道；

步骤3：在大气信道的另一端，发射激光的主光斑由菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜(3)所接收，经场镜(4)聚焦于I号数字相机(5)的CCD靶面并实时成像；发射激光的衍射光斑由到达角起伏接收光路的接收透镜(6)所接收，经接收透镜(6)聚焦于II号数字相机(7)的CCD靶面并实时成像；

步骤4：将步骤3中两台数字相机的实时成像数据存储于数据处理分机(8)，由数据处理分机(8)完成各项光波传输特性的计算；其中：I号数字相机(5)的成像数据用于光波传输特性中衰减、漂移、闪烁和扩展的计算，II号数字相机(7)的成像数据用于光波传输特性中到达角起伏的计算；通过计算I号数字相机(5)的成像数据上接收光斑的灰度值总和估算接收激光功率，再与近场标定的发射激光功率进行对比得到信道衰减；通过计算I号数字相机(5)的成像数据上接收光斑的能量分布状况得到信道闪烁；通过计算I号数字相机(5)的成像数据上接收光斑的重心变化情况得到信道漂移；通过计算I号数字相机(5)的成像数据上接收光斑的半径得到信道扩展；通过计算II号数字相机(7)的成像数据上接收光斑的重心位置，结合光学镜头参数换算后得到信道到达角起伏。

2.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，

所述发射分机的激光光源(1)采用800nm波段、最大输出功率75mW、功率稳定度优于1％的精密激光光源；激光发射分机的准直光学发射天线(2)采用卡赛格伦天线或透射式发射天线，其工作波长800nm波段、光束发散角优于150urad、光束直径小于150mm；

接收分机中，所述菲涅耳屏接收光路的菲涅耳透镜(3)的接收孔径小于500mm，接收视场半角小于0.50；I号数字相机(5)的帧频小于100fps；所述到达角起伏接收光路的接收透镜(6)的接收孔径为28mm，焦距为50mm；II号数字相机(7)的帧频大于100fps。

3.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，步骤4中信道衰减的计算方法为：信道衰减a由下式估算：

$a=\frac{10}{L}\lg \frac{P_r}{P_{\mathrm{test}}}$

其中，P_test为接收激光功率，由I号数字相机(5)的成像数据的像素灰度值总和估算出；P_r为激光光源(1)的激光额定输出功率，由发射端光功率计测出；L为大气信道传输距离；其中接收激光光功率P_test的估算方法通过实验室标定方法得到，具体过程如下：

步骤11：曝光时间调节；将激光发射分机与接收分机的菲涅耳屏接收光路紧靠一起，并调节光轴对轴；将I号数字相机(5)曝光时间设置为最小单位；

步骤12：背景光灰度值标定；关闭激光光源(1)，I号数字相机(5)曝光时间保持不变，记录背景光图像平均灰度值总和H_B；

步骤13：发射功率与光斑灰度值总和的测量；开启激光光源(1)，使得激光光源(1)输出功率达到额定功率，且I号数字相机(5)输出图像的灰度值临界饱和；逐步减小激光光源(1)的发射功率，直到I号数字相机(5)输出图像的灰度值接近0；记录I号数字相机(5)输出图像的灰度值总和H和光功率计测试的激光光源(1)的输出功率P_s；

步骤14：扣除背景光影响；将图像灰度值总和H减去背景光平均灰度值总和H_B后，得到H_s＝H-H_B与输出功率P_s的对应关系；

步骤15：改变曝光时间，重复步骤11～步骤14，测得多组数据后，对发射功率、曝光时间和灰度值总和进行曲线拟合后，得到如下关系：

P_test×t_e＝3.95+0.00293×H

其中：t_e为曝光时间；H为I号数字相机(5)输出图像的灰度值总和；P_test为I号数字相机(5)接收激光光功率。

4.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，步骤4中信道漂移的计算方法为：信道漂移表现为光斑在CCD靶面上重心位置的起伏变化；光斑重心位置由下式计算：

$x_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{xh}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}h(x,y)};$ $y_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{yh}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}h(x,y)}$

其中：x_c，y_c为目标重心位置，m、n为I号数字相机(5)的成像数据长、宽方向的像元数，h(x，y)为象素点对应的灰度值。

5.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，步骤4中信道扩展的计算方法为：信道扩展表现为光斑在CCD靶面上半径的变化情况；光斑半径R由光斑质心惯性矩定义：

$R^2=\frac{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}^{2}h(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}h(x,y)}$

其中，m、n为I号数字相机(5)的成像数据长、宽方向的像元数；h(x，y)为象素点对应的灰度值；r为点(x，y)至光斑质心距离。

6.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，步骤4中信道闪烁的计算方法为：信道闪烁表现为光斑在CCD靶面上能量的起伏变化，光强与图像灰度值成正比，所以信道闪烁计算时以灰度值替代强度计算对数强度方差；信道闪烁指数根据CCD接收靶面上的光强对数强度方差来表示：

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=\frac{<I^2{>-<I>}^2}{<I^2>}$

其中，<I²>为强度平方的均值；<I>为强度均值。

7.根据权利要求1所述的大气信道中光波传输特性的测试方法，其特征在于，步骤4中信道到达角起伏α的计算方法为：到达角起伏表现为光束在接收透镜处的入射角度变化情况，它与光斑在II号数字相机(7)的CCD靶面上重心位置对应；计算时，通过记录II号数字相机(7)的CCD靶面上光斑重心位置起伏量Δx或Δy，结合象元尺寸p和接收透镜(6)的焦距f，可得到相应到达角起伏α；其计算公式为： ${\mathrm{\&alpha;}}_x=\frac{\mathrm{\&Delta;x}\&times;p}{f};$ ${\mathrm{\&alpha;}}_y=\frac{\mathrm{\&Delta;y}\&times;p}{f}.$

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