CN103364067A - 一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法，所述同步采集方法用于深水中水声阵列各阵元的长期同步数据采集，所述方法包含：同步方法和数据采集记录的方法，其中所述同步方法为：步骤101)用于为各个阵元授时的步骤；步骤102)授时完成后，由各个阵元内部包含的高精度时钟源继续守时，从而实现各阵元之间长期精准的同步。所述步骤101)可采用GPS提供的PPS信号或者北斗系统完成授时。所述时钟源可采用微型CPT原子钟。即本发明所述的各阵元之间省略了现有技术采用电缆中同步信号线进行同步的策略而是采用授时和守时协作的方式实现各阵元的同步，且这种同步方式的引入使各个阵元可灵活布置并可集成数据采集和记录的功能。

Description

一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法

技术领域

本发明涉及海洋测量仪器领域，特别涉及一种应用于海洋声学研究的无电缆连接、同步采集水声阵列系统，即本发明具体涉及一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法。

背景技术

同步获取大尺度范围、不同深度分布的海洋水声信号是开展海洋声学研究的重要内容，而且伴随着海洋声学研究的不断发展，研究工作已逐渐由浅海走向深海，因此开展适用于深水的水声信号采集阵列系统的需求十分迫切。

目前，传统的水声信号采集阵列系统主要由两部分构成：水听器阵列和采集记录终端设备，水听器阵列通常是由一定数量的水听器按设定间隔排列，由一条多芯水密电缆(包含供电、信号同步、信号传输等芯线)将各水听器串接后，整体构成的水听器阵列；采集记录终端设备通过电缆为水听器供电，同时完成水听器接收的水声模拟信号的数字化采集与记录存储。具体工作模式为：采集记录终端设备置于船甲板或浮标(潜标)舱体内，水听器阵列置于水体中，两者通过电缆连接，阵列中的水听器将采集到的水声模拟信号由电缆传输到终端采集设备，实现水声信号的数字化采集和记录存储。但实际实施过程中往往受到连接设备自身和海上实施等因素限制，如传输阵缆的芯数、水密接头、电缆的水密特性及抗拉特性等，因此电缆连接会有许多不便之处，不仅可靠性差，而且阵列系统的技术难度和成本大。总体看来，传统的水声阵列系统存在的局限性与不足主要有：

1.同步采集实现方式复杂：为了实现全阵列系统同步采集，传统工作方式需要在水听器阵列中设置同步信号，以实现不同水听器之间的同步采集，这样无论在水听器阵列还是在系统采集记录终端都必须设置同步信号线，导致系统的复杂程度大大增加。

2.风险高：应用于深水的水听器阵列，内部含有多芯供电传输线和信号传输线，在深水高静水压环境中，长度大，破损几率高，一旦破损将导致整条阵列彻底损坏，维修难度非常大。

3.操作不便：深水阵列体积大、重量沉，海上布放、回收作业难度大，存储、运输不便，而且阵元的间隔位置固定，无法更改，难以实现最佳空间分布的声场接收间隔。

4.信号质量低：长距离的供电电缆必然导致引入的空间辐射干扰，及各通道间的串扰增大，导致水听器阵列的动态范围降低，而且长距离的信号传输缆将使水声信号衰减增大，同时长电缆的分布电容增加，也将导致水声信号质量下降。

近年来，随着低功耗电子器件和小体积、高密度、大容量电池的开发及应用，支持本发明的关键技术日益成熟。在此基础上，本发明提出一种技术方案可行的无电缆连接、同步采集的水声阵列系统，将各自独立的自容式记录单元作为阵元，通过普通耐腐蚀绳绳缆连接，构建自容式同步采集水声阵列系统，即在水声阵列系统中无需长距离电缆，各阵元均采用自带电池的工作方式，把采集信号记录在阵元内部。目前，国内外已有的自容式水声信号记录设备(即，在水下具备采用自带电池的工作方式，独立完成信号采集记录的设备)仍属于单一功能的单点设备，不能实现多阵元同步采集，因此也就不能完成深水中不同深度的各个阵元协同的数据采集的探测任务(即由于现有技术的对水下采集记录单元的同步均采用电缆内部布放的同步数据线完成，因此当将多个阵元用于深水环境中协同工作时过长的电缆线和复杂的工艺会使得深水采集任务变的异常复杂)。此外，据申请人调研国内外专利情况，在海洋测量仪器领域方面尚无将终端采集系统与水听器阵列相互融合设计，实现同步记录采集的水声阵列系统。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有系统中存在的上述问题，通过将水听器阵列与采集系统相互融合设计的方法，研制一种新型的无电缆连接，具有高精度时间同步、大深度、小型化、低功耗特点的自容式水声信号采集阵列系统(简称无电缆式水声阵列系统)，实现大尺度范围内不同深度的海洋水声信号的同步获取，即本发明提供了一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，该方法用于完成深水中水声信号采集阵列各阵元的长期同步数据采集，所述方法包含：同步方法和数据采集记录的方法，其中所述同步方法的步骤如下：

步骤101)用于为各个阵元授时的步骤；

步骤102)授时完成后，由各个阵元内部包含的高精度时钟源继续守时，从而实现各阵元之间长期精准的同步。

可选的，所述步骤101)采用GPS提供的PPS信号或者北斗系统完成授时；所述时钟源采用微型CPT原子钟。

当采用上述的同步方式实现各阵元的同步后，所述数据采集记录的方法具体步骤如下：

步骤201)用于数据采集的步骤，该步骤中各同步阵元根据设定的工作任务，进行同步数据采集和模/数转换；

步骤202)用于存储采集数据的步骤，该步骤将模/数转换后的数字信号转换格式并进行重新编排成帧，存入数据通道缓存中，再传送到数据存储模块进行存储；

步骤203)用于读取采集数据的步骤，该步骤通过水声通信将数据传回母船或岸站系统，或者将各阵元回收，通过与计算机连接读取数据。

上述技术方案中，所述数据存储模块还通过检测存储卡的容量，实现不同存储卡之间的无缝切换；所述模数转换器的精度为24bit。

基于上述同步采集方法本发明还提供了一种无电缆连接的水声信号采集阵列系统，该水声信号采集阵列的各个阵元用于完成深水条件下信号的同步采集及记录，且各阵元包含：用于采集水声信号的深水水听器，其特征在于，所述系统还包含：将各个阵元相连接的连接线，该连接线能采用长度可调绳缆，调整各阵元之间的间距；且所述每个阵元还包含：

用于完成各阵元间同步的授时接口处理单元及守时单元，其中，所述授时接口处理单元用于完成对阵元进行授时，所述守时单元采用高精度时钟源使阵列中各阵元在完成授时后，始终工作在同步状态，实现对全阵列系统的守时；

用于完成模数转换、数据协议转换和功耗控制的超低功耗控制与采集模块；

用于存储采集数据的数据存储模块；和

用于为阵元供电的电池组；

其中，所述授时接口处理单元与守时单元的输出端分别与所述超低功耗控制与采集模块相连接协同完成各阵元的长期精准同步；所述超低功耗控制与采集模块可用于采集工作任务设定，所述超低功耗控制与采集模块还与深水水听器和数据存储模块相连接，用于存储采集的数据。

优化的，所述阵元还包含水声通信模块，该水声通信模块与所述超低功耗控制和采集模块相连接，用于将数据存储模块存储的采集数据传输至位于水中的数据接收装置。

进一步优化的，所述电池组还包含一电源监控单元，该电源监控单元与所述超低功耗控制与采集模块相连接，所述电源监控单元与所述超低功耗控制与采集模块协同完成电源电压和电流监控及为各个阵元包含的其余模块上断电控制。

可选的，所述超低功耗控制与采集模块进一步包含：

主控单元，用于各阵元的同步控制、工作任务设定并负责监控电源运行情况；

接口控制单元，用于所述主控单元与模数转换单元之间的数据接口协议转换；所述主控单元和所述数据存储模块之间的数据接口协议转换；所述主控单元和电源监控单元之间的数据接口协议转换；

模数转换单元，用于将深水水听器采集到的模拟水声信号转换为高精度数字信号；

其中，所述主控单元两个输入端分别与授时接口处理单元及守时单元的输出端相连接，用于完成各个阵元的同步控制；且该主控单元的输出端与所述接口控制单元相连；所述模数转换单元的输入端与所述深水水听器的输出端相连接；所述水声通信模块通过一串行接口与所述主控单元相连接，用于读取所述数据存储模块中的数据。

上述技术方案中，所述数据存储模块采用若干SD卡；所述深水水听器进一步包含：水听器传感探头，用于采集深水信号；和增益控制与滤波电路，该电路的输入端与所述水听器传感探头输出端相连，其输出端与所述模数转换单元相连，用于将水听器传感头采集的水下信号进行前置放大和滤波处理后输入所述的模数转换单元进行模数转换。

本发明与现有技术相比优点在于：

1.高精度时间同步记录：阵列系统的不同阵元间，通过其内部的高精度时钟模块，实现不同阵元的同步采集记录。

2.高可靠性：自容式的阵列单元相互独立，可有效的实现故障隔离，不因某个阵元的故障导致整条阵列的损坏，大大提高系统的可靠性。

3.灵活的组合方式：每个阵元均为独立设备体积小、重量轻，用户可根据需求决定阵列中阵元个数、空间间隔、布放深度等，海上布放、回收作业难度小，存储、运输简便。

4.高信噪比：每个单元均为分布式数字化的自容式记录设备，实现水声信号的近端数字化采集记录，有效克服了传统阵列中长程电缆传输中的信号衰减、传输电缆中分布电容对信号的干扰，同时由于每个阵元均为独立采集记录，因此不存在通道间串扰等问题。

总之，本发明涉及一种通过传感、采集、记录一体化设计的信息记录单元，替代传统的水听器阵列模式，构建自容式同步采集水声阵列系统。

附图说明

图1为本发明的无电缆式水声阵列系统基本实现方式的示意图；

图2为本发明的无电缆式水声阵列系统包含的采集记录单元的内部结构框图；

图3为本发明的位于采集记录单元外部的耐高压耐腐蚀的水密电子仓的外形结构图；

图4为采用船挂方式和锚系方式应用本发明提供的无电缆式水声阵列系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

本发明提供的深水无电缆连接同步采集水声阵列系统主要包含：水声阵列组阵、水声信号采集、数据分配、电源控制、系统授时、同步数据采集、存储和传输等方面的设计。因此，在系统各部分具体设计实施时，必须在综合考虑系统整体功能的基础上，对系统功能模块进行功能细分，并规划出全系统的工作流程。在该部分将融合数据采集存储及供电功能的各阵元统称为：自容式水声信号采集记录单元。

本发明通过下述技术方案实现：无电缆式水声阵列系统主要通过耐腐蚀绳缆串接多个阵元的方式实现。具体来讲，各阵元均为独立的自容式水声信号采集记录单元，阵元间通过系留缆前后连接，每个阵元均可通过采集记录单元外壳预留的固定装置方便地绑缚在系留缆上，因此无电缆式水声阵列系统具有机动灵活和轻便的特点。实际作业中，具体使用的阵元数量、间距可根据实际研究需要在布放前现场调整。此外，整条阵缆可采用阵元与系留缆分离的方式实现全阵列的运输和存储。

其中每个独立的采集记录单元均包括：耐高压耐腐蚀的水密电子仓、超低功耗控制采集模块、高精度时钟同步模块、水声通信模块、深水水听器、数据存储模块和高能电池组。

所述的耐高压耐腐蚀的水密电子仓为通过耐腐蚀材料加工制作的具有耐压结构特性的水密外壳；

所述高精度时钟同步模块、水声通信模块、深水水听器、数据存储模块均与超低功耗控制采集模块相连接；

所述的超低功耗控制采集模块采用超低功耗单片机作为控制单元，高分辨率低噪声A/D作为信号采集单元；

所述的超低功耗控制采集模块设置有能与计算机相连的数据传输接口；

所述的高精度时钟同步模块采用低功耗微型频标作为全系统提供时钟源，通过时钟输出接口与超低功耗控制采集模块相连接；

所述的高精度时钟同步模块通过授时电路接口连接计算机，并利用计算机与GPS接收机连接。

所述的水声通信模块单独密封，设置于水密电子仓外，并通过水密数据通信接口与超低功耗控制采集模块相连接；

所述的深水水听器包含有深水水听器传感探头及工作所需的前置放大、滤波等电路；

所述的数据存储模块采用多片大容量存储单元组合实现；

所述的高能电池组采用多节小体积、高密度、大容量高能锂电池组合实现，并且有专用的监控电路与超低功耗控制采集模块连接。

无电缆式水声阵列系统的工作原理：

1)各个自容式水声信号采集记录单元通过授时电路接口连接计算机与GPS接收机，通过计算机指令完成GPS接收机PPS秒脉冲完成授时，计算机为各采集单元设定工作任务；

2)授时完成后移除GPS接收机，由高精度时钟同步模块中的低功耗微型时钟源继续守时，实现各采集记录单元间的同步，保证无电缆式水声阵列系统各阵元的信号同步采集；

3)各采集单元根据设定的工作任务，由超低功耗控制采集模块进行同步采集和高分辨率低噪声模/数转换；

4)模/数转换后的数字信号，经超低功耗控制采集模块转换格式后，重新编排成帧，存入数据通道缓存中，再由高速数据接口传送到数据存储模块；

5)数据存储模块对超低功耗控制采集模块传送过来的数据进行存储，同时通过检测存储卡的容量，实现不同存储卡之间的无缝切换；

6)数据读取：有两种工作方式实现阵列信号数据读取：一种为通过水声通信模块将数据传回母船或岸站系统，另一种为工作完成后，将无缆式水声阵列系统回收，通过与计算机连接读取数据。

实施例

以下实施中的授时子系统具体采用GPS接收机为多个自容式水声信号采集记录单元实现授时，此外北斗系统也可以通过授时处理接口输入阵元完成授时。

如图1所示，该图为深水无电缆连接同步采集水声阵列系统的基本实现示意图。图中通过系留缆将n个自容式水声信号采集记录单元，按照设定的间距串联成阵，其中每个采集记录单元就是阵列系统的一个阵元，各个阵元自主工作，相互之间各自独立，不需要电缆连接。整个阵列系统中阵元的数量、布放的深度及阵形设计等方面在实际实施时，只需要通过调整系留缆的长短、曲折就可以方便的实现。图1还给出了阵列系统在授时、任务加载、及各采集记录单元同步采集的实现方式。

深水无电缆式水声阵列系统各个采集记录单元通过与计算机、GPS接收机连接实现系统授时，具体来讲，各采集单元通过授时电路接口(为了便于业内人士理解，本实施例中采用RS232接口)连接计算机，计算机的另一端与GPS接收机连接。计算机通过指令控制，利用GPS接收机秒脉冲完成对各采集单元授时，由各采集单元内部高精度时钟同步模块完成阵列系统守时，实现整条阵列的时钟同步。授时完成后移除GPS接收机，计算机通过指令完成工作任务下载。任务下载成功后，整条阵列可按照设定的工作任务运行，实现整条无缆式水声阵列的同步信号采集。

图2为深水无电缆式水声阵列系统记录单元各个功能模块的基本构架和相互之间的连接关系。

上述实施例中，超低功耗控制与采集模块使用的单片机型号可采用MSP430F5438，该单片机为本发明的核心处理单元，负责按照给定的工作任务完成水声信号的采集、存储和传输，并协调各组成部分安全可靠运行；可采用低噪声24bitA/D为水声信号采集单元。

上述实施例中，数据存储模块采用4片容量为32G的SD卡，存储时间按照测量时间1小时，间隔时间10小时计算，存储数据可维持1年以上；

上述实施例中，高精度时钟同步模块(即由授时接口处理单元和守时单元及接口单元组成该高精度时钟同步模块，且由于采用GPS信号授时所以所述授时接口处理单元用GPS进行标注，所述守时单元用高精度时钟进行标注)可中选用微型CPT原子钟作为系统的高精度时钟源，可采用SA.45s CSAC，时钟频率稳定度达到3E-10/month，满足水声领域的应用需求；

上述实施例中，使用E²PROM存储工作任务；

上述实施例中，高能电池组采用四节以上的高能锂电池组合实现，工作时间按照测量时间1小时，间隔时间10小时计算，电池能源可维持1年以上；电池组有专用的监控电路可对电池组出现的异常现象(如，过流、欠压等)进行及时处理；

上述实施例中，超低功耗控制与采集模块同计算机之间通过RS232接口连接；

上述实施例中，超低功耗控制与采集模块同水声通信模块之间通过RS485接口连接；

上述实施例中，数据存储模块中使用SD卡作为存储介质，通过专用串行数据总线与超低功耗控制与采集模块连接；

上述实施例中，高能电池组通过专用电源接口为其它模块供电。

本发明使用时，其工作实施步骤如下：

步骤1.阵列系统构建：根据工作任务和实施环境，确定整个阵列系统中阵元的数量、布放的深度及设计阵形，选择合适的长度的系留缆，将所需数量的自容式水声信号采集记录单元串联，完成无缆式水声阵列的成阵。此外，根据使用的不同方式还可以在阵列的系留缆上加装重块、及释放器等装置；

步骤2.同步授时：各个自容式水声信号采集单元通过计算机连接GPS接收机，实现为各采集单元授时；

步骤3.工作任务设定：由计算机为各采集单元设定工作任务，如果需要无电缆式水声阵列系统工作在同步状态，可以采用批处理方式为各采集单元设定为相同的工作任务；

步骤4.海上作业：完成上述作业后，实施海上布放，由于各采集单元内部的高精度时钟同步模块均具有低功耗微型时钟源，因此整条阵列中各阵元处于同步工作状态，各采集单元通过深水水听器拾取水声信号，经A/D转换后，将数字化的水声信号再进行格式转换，重新编排成帧，存入数据通道缓存中，再由专用串行数据总线传送到SD卡进行数据存储，同时通过检测SD卡的容量，实现不同存储卡之间的无缝切换；

步骤5.数据读取：通过水声通信模块将数据传回接收母船，或将水声阵列系统回收，通过与计算机连接读取数据。

此外考虑到系统可能会工作在深水环境中，电子仓采用小型化钛合金结构，仓体及水密接插件均可承受2000米高静水压，图3为电子仓的外形结构图，主要包括：(1)3芯密封航插，(2)航插密封圈，(3)仓盖，(4)航插防松螺母，(5)密封圈，(6)仪器托架，(7)软垫，(8)外筒。

下面根据图4具体介绍，在当前技术条件下，完全可行的两种无电缆式水声阵列系统应用实施范例。由于无电缆式水声阵列系统采用了传感、采集、记录一体化设计，具有海上实施作业机动灵活、轻巧方便的特点，因此可以适应多种应用场合，如图4所示的锚系方式和船挂方式，所述锚系方式通过浮标(或潜标)捆绑系留绳缆，将按预定间距布置的若干采集记录单元送入深水中进行信号同步采集；所述船挂方式通过一位于船上的布放装置捆绑系留绳缆，将按预定间距布置的若干采集记录单元送入深水中进行数据同步采集；其中，上述采集记录单元即为深水无电缆连接的水声阵列的阵元，所述阵元可独立完成数据采集存储及供电，且采用了授时和守时相结合的无同步线的同步方式完成各阵元的同步数据采集记录。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明专利中各部分的结构、设置方式、及连接都可以有所变化，凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，该方法用于完成深水中水声信号采集阵列各阵元的长期同步数据采集，所述方法包含：同步方法和数据采集记录的方法，其中所述同步方法的步骤如下：

步骤101)用于为各个阵元授时的步骤；

步骤102)授时完成后，由各个阵元内部包含的高精度时钟源继续守时，从而实现各阵元之间长期精准的同步。

2.根据权利要求1所述的深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，其特征在于，所述步骤101)采用GPS提供的PPS秒脉冲信号或者北斗系统完成授时过程。

3.根据权利要求1所述的深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，其特征在于，所述时钟源采用微型CPT原子钟。

4.根据权利要求1所述的深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，其特征在于，所述数据采集记录的方法具体步骤如下：

步骤201)用于数据采集的步骤，该步骤中各同步阵元根据设定的工作任务，进行同步数据采集和模/数转换；

步骤202)用于存储采集数据的步骤，该步骤将模/数转换后的数字信号转换格式并进行重新编排成帧，存入数据通道缓存中，再传送到数据存储模块进行存储；

步骤203)用于读取采集数据的步骤，该步骤通过水声通信将数据传回母船或岸站系统，或者将各阵元回收，通过与计算机连接读取数据。

5.根据权利要求4所述的深水无电缆连接的水声阵列的同步采集方法，其特征在于，所述数据存储模块还通过检测存储卡的容量，实现不同存储卡之间的无缝切换；所述模数转换器的精度为24bit。

6.一种深水无电缆连接的水声阵列系统，该水声信号采集阵列的各个阵元用于在深水处近距离完成深水信号的同步采集及记录，且各阵元包含：用于采集水声信号的深水水听器，其特征在于，所述水声阵列系统还包含：将各个阵元相连接的连接线，该连接线能采用长度可调绳缆，调整各阵元之间的间距；且所述每个阵元还包含：

用于完成各阵元间同步的授时接口处理单元及守时单元，其中，所述授时接口处理单元用于完成对阵元进行授时，所述守时单元采用高精度时钟源使阵列中各阵元在完成授时后，始终工作在同步状态，实现对全阵列系统的守时；

用于完成模数转换、数据协议转换和功耗控制的超低功耗控制与采集模块；

用于存储采集数据的数据存储模块；和

用于为阵元供电的电池组；

其中，所述授时接口处理单元与守时单元的输出端分别与所述超低功耗控制与采集模块相连接协同完成各阵元的长期精准同步；所述超低功耗控制与采集模块可用于采集工作任务设定，所述超低功耗控制与采集模块还与深水水听器和数据存储模块相连接，用于存储采集的数据；所述的深水水听器包含：深水水听器传感探头、增益控制和滤波电路，用于深水数据采集。

7.根据权利要求6所述的深水无电缆连接的水声阵列系统，其特征在于，所述阵元还包含水声通信模块，该水声通信模块与所述超低功耗控制和采集模块相连接，用于将数据存储模块存储的采集数据传输至位于水中的数据接收装置。

8.根据权利要求6所述的无电缆连接的水声信号采集阵列系统，其特征在于，所述电池组还包含一电源监控单元，该电源监控单元与所述超低功耗控制与采集模块相连接，所述电源监控单元与所述超低功耗控制与采集模块协同完成电源电压和电流监控及为各个阵元包含的其余模块上断电控制。

9.根据权利要求7所述的深水无电缆连接的水声阵列系统，其特征在于，所述超低功耗控制与采集模块进一步包含：

主控单元，用于各阵元的同步控制、工作任务设定并负责监控电源运行情况；

接口控制单元，用于所述主控单元与模数转换单元之间的数据接口协议转换；所述主控单元和所述数据存储模块之间的数据接口协议转换；所述主控单元和电源监控单元之间的数据接口协议转换；

模数转换单元，用于将深水水听器采集到的模拟水声信号转换为高精度数字信号；

其中，所述主控单元两个输入端分别与授时接口处理单元及守时单元的输出端相连接，用于完成各个阵元的同步控制；且该主控单元的输出端与所述接口控制单元相连；所述模数转换单元的输入端与所述深水水听器的输出端相连接；所述水声通信模块通过一串行接口与所述主控单元相连接，用于读取所述数据存储模块中的数据。

10.根据权利要求9所述的深水无电缆连接的水声阵列系统，其特征在于，

所述数据存储模块采用若干SD卡；

所述深水水听器进一步包含：

水听器传感探头，用于采集深水信号；和

增益控制与滤波电路，该电路的输入端与所述水听器传感探头输出端相连，其输出端与所述模数转换单元相连，用于将水听器传感头采集的水下信号进行前置放大和滤波处理后输入所述的模数转换单元进行模数转换。

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