CN102575960A - 导航装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种装置，该装置包括：偏振光滤光器单元阵列，各个单元包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器，所述第二偏振方向不同于所述第一偏振方向；光学系统，其将光引导到偏振光滤光器阵列上；以及第一光传感器和第二光传感器，其分别从通过所述第一偏振滤光器和所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据。另外，一种方法，该方法将光引导到偏振光滤光器单元阵列上，各个单元包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有不同于所述第一偏振方向的第二偏振方向的第二偏振滤光器；由第一光传感器和第二光传感器分别从通过所述第一偏振滤光器和所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据；以及基于所述数据得到偏振图案。

Description

导航装置和方法

发明背景

基于太阳运动的简单且准确的地理定位长期以来已成为导航仪器的目标。类似地，快速且可靠的“真北”的固定虽然在一些情况下可从GPS获得，但对于工程、军事、土地测量、空运、运动和海事用途而言仍然是单调且费时的事务。检测太阳辐射和大气条件长期以来已成为天气预报和绿色能源工业的目标。类似地，快速且低成本地测量太阳辐射和大气粒子虽然在一些情况下可以由例如有源激光仪来提供，但对于气候学和绿色能源工程而言仍然是昂贵且费时的事务。

发明内容

本发明的实施方式可提供一种装置，该装置可包括：偏振光滤光器单元阵列，各个单元可包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器，所述第二偏振方向不同于所述第一偏振方向。所述第二偏振方向可以基本上与所述第一偏振方向垂直。所述滤光器单元可以按同心环布置。

所述装置还可包括：光学系统，其将光引导到所述偏振光滤光器阵列上；以及第一光传感器和第二光传感器，该第一光传感器从通过所述第一偏振滤光器接收到的光产生数据，该第二光传感器从通过所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据。所述第一光传感器和所述第二光传感器可以包括在具有与各个偏振滤光器并置(juxtapose)的至少一个光传感器的光传感器阵列中。

根据一些实施方式，所述装置还可包括基于所述数据得到偏振图案的处理单元。所述处理单元可以用于通过测量通过所述第一偏振滤光器接收到的光强度与通过所述第二偏振滤光器接收到的光强度之间的差来计算偏振的强度和方向中的至少一个，并且用于基于所述计算来得到所述偏振图案。所述处理单元可用于基于所述偏振图案计算天体的位置数据，例如，天体的方位角和高度中的至少一个。所述处理单元可以用于基于天体的所述位置数据计算导航数据。所述处理单元可以还基于存储在存储器中的补充数据计算导航数据。

根据本发明的一些实施方式的装置还可包括从由所述光学系统引导的光中分离出至少一个波长带的波长分离器。所述装置中的处理器单元可以计算由所述波长分离器分离的至少一个波长带中的偏振光的图案。所述波长分离器可包括以至少一个滤色器的群组布置的滤色器阵列，各个群组与一偏振滤光器并置。

根据本发明的一些实施方式，所述装置可包括存储补充数据的存储器，所述补充数据是包括太阳路径表、天文图、日历图、星历表、时间标准、天光偏振图、真北、磁北和格网北的校准图的列表中的至少一个。

进一步根据本发明的一些实施方式，所述装置可包括用于检测所述设备的倾角的倾角仪。

另外，本发明的实施方式可以提供一种方法，该方法可包括：将光引导到偏振光滤光器单元阵列上，各个单元可以包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有不同于所述第一偏振方向的第二偏振方向的第二偏振滤光器。所述第二偏振方向基本上与所述第一偏振方向垂直。

所述方法还可包括由第一光传感器从通过所述第一偏振滤光器接收到的光产生数据，以及由第二光传感器从通过所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据；以及基于所述数据得到偏振图案。

根据一些实施方式，所述方法还可包括通过测量通过所述第一偏振滤光器接收到的光强度与通过所述第二偏振滤光器接收到的光强度之间的差来计算偏振的强度和方向中的至少一个，以及用于基于所述计算来得到所述偏振图案。

根据本发明的一些实施方式，所述方法还可包括从引导的所述光中分离出至少一个波长带。偏振光的图案的计算可以在至少一个分离的波长带中进行。

根据本发明的一些实施方式，所述方法还可包括检测所述装置的倾角。

根据本发明的一些实施方式，所述方法还可包括基于所述偏振图案计算天体的位置数据。所述位置数据可包括所述天体的方位角和高度中的至少一个。

根据本发明的一些实施方式，所述方法还可包括基于天体的所述位置数据计算导航数据。在本发明的一些实施方式中，所述计算导航数据还可以基于存储在存储器中的补充数据。

附图说明

在本说明书的结论部分具体指出并明确要求保护本发明的主题。然而，可以在结合附图阅读时参照以下详细说明来最佳地理解本发明的组织和操作方法及其目的、特征和优点，附图中：

图1是根据本发明的一些实施方式的用于导航的装置的横截面示意图；

图2是根据本发明的一些实施方式的示例性偏振器的示意图；

图3是根据本发明的一些实施方式的偏振检测单元装置的部分示意图；

图4A和图4B是可由根据本发明的一些实施方式的处理单元得到的偏振图案的示意图；

图5是例示根据本发明的一些实施方式的导航方法的示意流程图。

可以理解，为了说明的简明起见，附图所示的元件不必按照比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其它元件进行夸大。此外，在适当的时候，可以在多个附图当中重复附图标记以表示对应的或类似的元件。

具体实施方式

在以下详细说明中，阐释了多个具体细节以便提供对本发明的深入理解。然而，本领域技术人员将理解，无需这些具体细节即可实践本发明。在其它情况下，没有详细描述的公知的方法、过程和组件，以便不影响本发明的清晰性。

现在参照图1，图1是根据本发明的一些实施方式的用于导航的装置10的横截面示意图。装置10可包括光学系统110、偏振器120、光传感器220和处理单元200。

光学系统110可将光线引导和/或聚焦在偏振器120上。光学系统110可包括单个或多个光学元件，诸如透镜、小透镜阵列、微型透镜、针孔、光纤、波导或其它合适的光学元件。在一些实施方式中，装置10可另外包括光学变焦、运动光学元件和/或聚焦系统。

偏振器120可包括偏振光滤光器阵列(图2中示出)。偏振器120可通过在与偏振器120的设计相符的方向上线性偏振的光分量并阻挡基本上所有或者其它角度的偏振光。通过偏振器120的偏振光可以生成可反射到光传感器220上的吸收光的偏振强度和/或方向的图案。针对本说明书的目的，术语“图案”可包括但不限于值矢量、比例图或术语“图案”的任何其它传统含义。

当光学系统110将天光(skylight，即，源自诸如太阳的天体并由大气朝向地球反射和/或散射的辐射)或者地球光(earthlight，即，从地球反射和/或散射的天光)引导和/或聚焦到偏振器120上时，偏振图案可使得能够由装置10获得导航数据。

光传感器220可包括例如图像传感器。光传感器220可包括将光学信号转换为电信号的光传感器单元阵列，例如，雪崩光电二极管(APD)、电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、有源像素传感器(APS)或者其它合适的光传感器的阵列。光传感器220可产生数据(例如，与所接收到的光相关的图像数据或其它数据)，并将所述数据发送到处理单元200，该处理单元200可基于所产生的数据记录、分析、处理、存储、压缩、发送、重建、转换和/或得到数据。在一些实施方式中，所产生的数据可能不包括图像，而是可能限于例如关于光强度、偏振光强度的方向或者不足以生成图像的其它受限信息的数据。

偏振器120可包括例如具有对应的两个不同偏振方向(例如，基本上彼此垂直或者具有其它可分辨的角度)的两种或更多种类型的偏振滤光器(例如图3所示的)。通过偏振器120的偏振光可以生成投射到光传感器220上的光的偏振强度和/或方向的图案。基于光传感器220所产生的数据，处理单元200可计算由光传感器220上的不同区域吸收的偏振光的偏振的方向和/或强度。例如，处理器200可以通过测量由光传感器220上的相应两个或更多个不同区域通过两种不同类型的偏振滤光器接收到的光强度之间的差来计算偏振的方向和/或强度，因而例如得到偏振图案。基于该偏振图案，处理单元200可以获得导航数据，诸如时间、真北、位置、方向和/或其它有用的数据。处理单元200可以通过例如基于一个或更多个所得到的偏振图案确定诸如太阳、星星或月亮的天体的位置来获得导航数据。

在一些实施方式中，装置10可以定向为使得光学系统110可以将天光引导和/或聚焦到偏振器120上。装置10可安装在诸如表、头盔、太阳镜、手持设备、车辆、测绘和/或测量设备、通信和/或计时硬件或者任何其它合适的平台的可指引平台上。光学系统110例如可定向为朝向天顶，以便将天空全景引导和/或聚焦在偏振器120上，以及/或者以便有助于获得位置和导航数据。另选地，例如在航空用途的情况下，光学系统110可以定向为朝向航空平台下方和/或上方的天底，因而例如将来自地面的天光的反射和/或散射引导和/或聚焦到偏振器120上。另外地或另选地，在一些示例性实施方式中，装置10可包括传感器模块240，该传感器模块240可包括至少一个方向传感器(诸如全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)、加速度计、陀螺仪、倾角仪、磁罗盘、高度表、测速仪或任何其它合适的传感器)，以便建立装置10的空间中的方向和/或装置10的空间中的诸如行进加速度、速度和/或距离的运动信息。方向的建立可包括6个自由度中的方位(bearing)。在其它实施方式中，例如，当装置10在附接到运动车辆的同时在轴编码器上旋转并且其旋转轴与天顶-天底矢量对准时，可以使用诸如机械、电子、光学和/或视觉里程表传感器的外部方向传感器。当基于从光传感器220接收到的数据计算导航数据时，处理单元200可以使用所感测的装置10的方向和/或运动信息，以便对装置10在空间中的方向进行补偿。例如，在装置10的倾角偏离朝向天顶或天底的定向时，处理单元200可以在计算天体的位置和/或在处理航位推算计算(即，基于之前确定的位置估计当前位置)时对偏离的倾角进行补偿。

在一些实施方式中，装置10可以在水下使用，例如，通过在水下接收天光以及如上所讨论的分析天光的偏振图案。

除了从光传感器220接收到的数据以外，处理单元200可以使用补充数据来计算导航数据。补充数据可包括可有助于处理单元200计算导航数据的导航数据和/或天文数据，诸如太阳路径表，天文图，日历图，星历表，时间标准，天光偏振图，真北、磁北和格网北的校准图。补充数据可由处理单元200例如从装置10外部的源接收。另外地或另选地，处理单元200可以从可存储补充数据的内部存储器和/或可包括在装置10内或者与装置10关联的存储器接收所述补充数据。

处理单元200可以基于所得到的天光或地球光的偏振图案来确定诸如太阳、星星或月亮的天体的位置。例如，处理单元200可以基于所得到的偏振图案来确定天体在任意天体坐标中的位置(例如，天体(例如，太阳或月亮)的方位角和/或高度)。处理单元200可以通过将所确定的天体的位置与天体的路径表和日期和/或时间数据相结合来推算出例如真北。该日期和时间数据可由处理单元200从装置10外部的源或者从传感器模块240接收，传感器模块240还可包括诸如时钟、实时计算机时钟、时钟振荡器和/或机械、电子、光和/或原子计时器的计时装置。天体的路径表可包括例如天体在一年的不同时间和不同全球位置的每日路径(例如，太阳在一天期间的高度和方位角)。

基于天体的路径表、日期信息以及由处理单元200确定的天体的位置，处理单元200可以计算装置10的全球位置。另选地，处理单元200可以例如从全球定位系统、用户接口和/或通过装置10外部或内部的通信链路接收装置10的全球位置数据。基于全球位置数据、天体的路径表和由处理单元200确定的天体的位置，在例如处理单元200不从其它源接收或获得日期信息的情况下，处理单元200可以推算出一年中的时间，例如，日期信息。

另外地或另选地，处理单元200可以例如通过累积至少某段时间段期间所确定的天体的位置来获得天体位置的时间线(timeline)。基于所获得的时间线，处理单元200可以推算出天体的大致路径，处理单元可使用该大致路径来确定时间、日期、真北和/或装置10的全球位置。

在本发明的一些实施方式中，装置10可包括波长分离器130。波长分离器130可以将一个或更多个波长带从偏振光分离出来。因此，通过偏振器120和波长分离器130的偏振光可以生成针对特定波长带或针对多个波长带的偏振强度和/或方向的图案，并且这种图案可投射到光传感器220上。波长分离器130例如可包括诸如贝叶斯滤光器的滤色器阵列。另外地或另选地，波长分离器130可包括三色光束分光棱镜、带通和/或长通和/或边通滤色器、介质镜和/或任何其它合适的波长分离器。尽管图1的示例示出偏振器120与光传感器220之间的波长分离器130，但是，本发明的其它实施方式可包括其它构造，例如使得偏振器120可以接收通过波长分离器130(可由光学系统110将光引导和/或聚焦到其上)的过滤光。

可由波长分离器130分离的不同的波长带可以由处理单元200使用，来获得诸如大气条件、污染级别、云密度、湿度等的信息。处理单元200可以对不同类型的信息进行比较以及/或者例如消除和/或测量污染、云、湿度和/或其它现象对偏振图案的影响，例如以便基于所检测到的偏振图案获得更准确的导航数据。例如，晴朗的天空的偏振图案最好在大约450nm的波长带中观看，即，在蓝色和紫色波长带中观看。然而，对于污染或云而言典型的大粒子可能在红色和近红外波长带(即，大约650nm)处散射，因此被偏振。

装置10可由内部或外部电源(未示出)(例如，电池、太阳能电池和/或其它合适的电源)供电。另外地，装置10可包括至少一个天线和/或有线电路和/或无线电路(未示出)，例如以便从外部电源、数据链路、数据库和/或附加的传感器或设备接收电力和/或信息。

现在参照图2，图2是根据本发明的一些实施方式的示例性偏振器120的示意图。偏振器120可包括偏振光滤光器单元121的阵列。各个单元121可包括具有分别不同的偏振方向(例如，基本上彼此垂直)的至少两个偏振滤光器125和126。偏振滤光器单元121可布置为同心环122，例如，布置为盘状。可以使用其它形状和构造。一个或更多个偏振滤光器125和126可以与如上参照图1所述的可构成光传感器220的光传感器单元阵列中的至少一个光传感器单元并置。因而，光传感器220可以从通过各个单元121中的偏振滤光器125和126接收到的光产生数据。单元121可以彼此相同，或者可包括滤光器125和126的角度方面的变化。偏振器120中的更多数量的单元121可以实现光传感器220的更高的成像分辨率(由光传感器220的最大分辨率限制)。偏振器120中的单元121的数量可以由单元121的尺寸和/或环122的数量来确定。另外地，单元121的位置可以在各个环122中相对于其它环122中的单元121进行偏移(例如，在测量129中)，这可增强光传感器220的偏振图案的成像分辨率。

在本发明的一些实施方式中，偏振器120可包括例如在偏振片120的至少一部分上的光学延迟板和/或消偏器，例如Cornu消偏器、Lyot消偏器、Wedge消偏器和/或其它合适的消偏器。另外地或另选地，在一些实施方式中，偏振器120可包括可用来增加光偏振图案的成像分辨率的有源和/或无源光学元件，例如，波片、延迟器、四分之一波片、半波片、Faraday旋转器、液晶(LC)和/或光纤或任何其它合适的元件。本发明的其它实施方式可包括其它构造，例如使得偏振器120可以接收通过波片(可由光学系统110将光引导和/或聚焦在其上)的过滤光。

为了得到光的偏振图案，处理单元200可以例如通过测量通过各个单元121中的偏振滤光器125和126接收到的光强度之间的差来计算通过各个单元121接收到的光的偏振的强度和/或方向。

现在参照图3，图3是根据本发明的一些实施方式的装置10的偏振检测元件300的部分示意图。偏振检测单元300可包括单元121(其包括偏振滤光器125和126)、可包括在波长分离器130中的滤色器阵列135以及可包括在光传感器220中的光传感器单元225。滤色器阵列135可以彼此相同。每一个滤色器阵列135可包括多个滤色器137，例如包括至少三个不同颜色的滤色器的四个滤色器137(例如，贝叶斯滤色器)。在其它实施方式中，滤色器阵列可包括其它数量的滤色器137和/或其它数量的或者不同的颜色。滤色器阵列135可以与偏振滤光器125和126中的一个并置。光传感器220可包括针对各个滤色器137的至少一个光传感器单元225。因而，例如，各个传感器单元225可以吸收特定方向、强度和波长中的偏振光。

因此，例如，处理单元200可以针对由波长分离器130分离出来的各个波长分别计算所吸收的光的偏振的强度和/或方向，并且可以使用如上文参照图1详细描述的数据。

现在参照图4A和图4B，图4A和图4B是可由根据本发明的一些实施方式的处理单元200得到的偏振图案的示意图。箭头410例示光的e矢量，即，由处理单元200得到的光的偏振的方向和强度，其中，箭头410的长度和宽度对应于线性偏振的强度，箭头410的方向对应于线性偏振的方向。在该示例性实施方式中，光传感器220的中心与天顶450对准，由光传感器220捕获180度的视场。图4A示出由处理单元200在黎明时得到的偏振图案，此时太阳的高度480低于地平线，并且太阳的方位角490朝向西方。图4B示出由处理单元200在太阳正午时得到的偏振图案，此时太阳的高度480是在一天中最接近天顶450的天空中的最高处，太阳的方位角490朝向南方。

太阳的方位角线490可由处理单元200例如通过找到通过所有大气评估环(atmospheric evaluation ring)430并且与其通过的所有e矢量垂直的、在天顶450处枢转的线来推算出。结果，方位角线490与具有最高强度的e矢量垂直并将其划为两半。因此，处理单元200可以找到沿方位角线290具有最高强度的e矢量。

高度480可由处理单元200例如通过测量天顶450与具有最高强度的e矢量的中间点之间的距离来推算出。如上所述，两个点均位于方位角线490上。另选地，在太阳在装置10的视场内的情况下，高度480可以从直接太阳光线的检测推算出。本发明的其它实施方式可包括附加的e矢量表示，例如使得处理单元200可以利用Stokes参数描述和/或任何相关的大气和一般散射理论来推算偏振信息。

现在参照图5，图5是例示根据本发明的一些实施方式的导航方法的示意流程图。如块510所示，该方法可包括将光引导到偏振光滤光器单元121的阵列上。如上文详细描述，滤光器单元121可包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器125和具有与所述第一偏振方向不同的第二偏振方向的第二偏振滤光器126。例如，滤光器125和126的偏振方向可以基本上彼此垂直。如块520所示，该方法可以包括从通过偏振滤光器125和126接收到的光产生数据。如块530所示，该方法可以包括基于所产生的数据得到偏振图案。得到偏振图案可以通过以下操作来执行：通过测量通过偏振滤光器125和126接收到的光强度之间的差来计算偏振的强度和方向中的至少一个。基于所得到的偏振图案，例如通过使用天光散射理论，可以计算天体的位置数据，例如，天体的方位角和/或高度。基于所计算的天体的位置数据，可选地通过使用如上文所详述的存储在存储器中的补充数据来计算导航数据。

根据一些实施方式，该方法还可包括从所引导的光分离至少一个波长带，例如以便从不同的波长带推算出信息，如上文所详述。因此，可以在所分离的波长带中的至少一个中计算偏振光的图案。

另外地，根据本发明的一些实施方式，该方法可包括检测装置10的倾角和/或运动，因而，例如使得能够在计算天体的位置时对装置10的偏离倾角进行补偿。在一些实施方式中，设备可以参照天文系统沿例如一个或更多个轴(例如六个自由度中的一个)运动，并且可计算该设备相对于天体的运动。例如，装置10可附接到运动车辆，并且可以通过比较在车辆运动时不同时间的偏振图案变化来得到车辆的运动或位置。

虽然本文已经例示并描述了本发明的特定特征，但是本领域普通技术人员可以得到许多修改例、替换例、改变例及等效例。因此，可以理解，所附权利要求旨在覆盖落在本发明的实质精神内的全部这些修改和改变。

Claims (25)

1.一种装置，该装置包括：

偏振光滤光器单元阵列，各个单元包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器，所述第二偏振方向不同于所述第一偏振方向；

光学系统，所述光学系统将光引导到所述偏振光滤光器阵列上；以及

第一光传感器和第二光传感器，该第一光传感器从通过所述第一偏振滤光器接收到的光产生数据，该第二光传感器从通过所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据。

2.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括基于所述数据得到偏振图案的处理单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二偏振方向基本上与所述第一偏振方向垂直。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理单元用于通过测量通过所述第一偏振滤光器接收到的光强度与通过所述第二偏振滤光器接收到的光强度之间的差来计算偏振的强度和方向中的至少一个，并且用于基于所述计算来得到所述偏振图案。

5.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括波长分离器，该波长分离器从由所述光学系统引导的光中分离出至少一个波长带。

6.根据权利要求5所述的装置，该装置还包括处理单元，该处理单元用于计算由所述波长分离器分离出的至少一个波长带中的偏振光的图案。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述波长分离器包括以至少一个滤色器的群组布置的滤色器阵列，各个群组与一偏振滤光器并置。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光传感器和所述第二光传感器包括在具有与各个偏振滤光器并置的至少一个光传感器的光传感器阵列中。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述滤光器单元按同心环布置。

10.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括存储补充数据的存储器，所述补充数据是包括以下项的列表中的至少一个：太阳路径表，天文图，日历图，星历表，时间标准，天光偏振图，真北、磁北和格网北的校准图。

11.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括用于检测所述装置的倾角的倾角仪。

12.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理单元用于基于所述偏振图案计算天体的位置数据。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述位置数据包括所述天体的方位角和高度中的至少一个。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理单元用于基于天体的所述位置数据计算导航数据。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述处理单元用于还基于存储在存储器中的补充数据计算导航数据。

16.一种方法，该方法包括以下步骤：

将光引导到偏振光滤光器单元阵列上，各个单元包括具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有不同于所述第一偏振方向的第二偏振方向的第二偏振滤光器；

由第一光传感器从通过所述第一偏振滤光器接收到的光产生数据，并且由第二光传感器从通过所述第二偏振滤光器接收到的光产生数据；以及

基于所述数据得到偏振图案。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二偏振方向基本上与所述第一偏振方向垂直。

18.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括：通过测量通过所述第一偏振滤光器接收到的光强度与通过所述第二偏振滤光器接收到的光强度之间的差来计算偏振的强度和方向中的至少一个，以及基于所述计算来生成所述偏振图案。

19.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括从引导的所述光中分离出至少一个波长带。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述计算偏振光的图案在至少一个分离出的波长带中进行。

21.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括检测所述装置的倾角。

22.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括基于所述偏振图案计算天体的位置数据。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述位置数据包括所述天体的方位角和高度中的至少一个。

24.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括基于天体的所述位置数据计算导航数据。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述计算导航数据还基于存储在存储器中的补充数据。

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