CN104954070B - 一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，包括自适应光纤耦合器阵列、集成装置、子单元光纤分路器组、耦合能量光电探测器组、多通道高压放大器、多通道倾斜像差控制器、N×1自适应光束合成模块、三端口光纤环形器、信号加载相位调制器、信号发射激光器、本振激光器、本振光相位调制器、混频器、平衡探测器、数字信号解调模块、低通滤波器、混频活塞像差控制器。利用自适应光纤耦合器阵列分割光束，并校正子孔径内的倾斜像差；采用优化控制算法补偿光纤阵列间的活塞像差，实现光束合成以增强接收信号光能量，提高信号光与本征光的混频效率，从而降低误码率；还可作为发射端，利用光路的互惠原理实现对发射信号光的波前预补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，属于光学工程技术领域。在自由空间激光通信领域有着重要的应用前景。
背景技术
自适应光学技术可用于改善成像光学系统的成像分辨率及激光传输系统的光束质量，在天文观测、激光大气传输、无线激光通信等系统中都得到了成功应用。传统的自适应光学系统，通常由波前传感器、波前控制器及波前校正器组成，利用波前传感器探测波前斜率或曲率信息，波前控制器根据探测到的波前信息经由一定的算法复原出整体波前，并依据复原波前，控制诸如变形镜、倾斜镜等波前校正器对畸变波前进行实时的相位补偿。2014年，中国科学院光电技术研究所的刘超等人通过仿真分析了传统自适应光学校正对相干光通信性能的改善情况，证明了自适应光学技术提升相干光通信系统性能的可行性及重要性(Chao Liu,et al.,“Performance evaluation of adaptive optics foratmospheric coherent laser communications,”Opt.Express 22(13),15554(2014))。
随着光纤激光相控阵技术的发展，将基于光纤相控阵的自适应光学系统应用于自由空间激光通信技术中，实现低误码率、高通信质量成为可能。光纤激光相控阵技术与传统自适应光学技术相比，具有结构紧凑、体积小、重量轻、扩展性强、维护性好等优点。在实现基于光纤激光相控阵的自适应光学激光通信系统的过程中，会受到大气湍流扰动、光纤阵列光程失配等因素的影响，需要解决子孔径处倾斜像差的抑制问题以提高光纤耦合效率、子孔径间活塞像差的控制问题以提高相干合束效率及混频效率。以下研究成果为向自由空间激光通信技术中引入基于光纤激光相控阵的自适应光学系统奠定了技术基础：在2005年和2010年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.Beresnev and M.Vorontsov,“Design of adaptive fiber optics collimator for free-space communicationlaser transceiver,”Proc.SPIE 5895,58950R(2005))和中国科学院光电技术研究所的张小军等人(国防专利号：201010049753.3和201010050857.6)分别独立研制了一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，该器件可以在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度；同时，他们还搭建了基于自适应光纤准直器阵列的光纤激光发射系统。2013年，耿超等人提出了名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(申请号201310161222.7)的发明专利，并实现了空间激光到光纤的高效自适应耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimental demonstration ofsingle-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B23,014207(2014))。
本发明将光纤光学技术、自适应光学技术、相干合成技术以及空间光通信技术相结合，提出了一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服传统自适应光学技术应用于空间相干光通信系统的不足，克服大气湍流效应对光纤耦合效率的不利影响，克服光纤阵列光程失配对相干合束效率、混频效率和通信质量的影响，提出一种可自适应地优化光纤阵列的激光耦合效率、实时补偿光纤阵列光程失配以提高相干合束效率和混频效率，从而改善通信质量的自适应光纤阵列式激光收发系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于包括：自适应光纤耦合器阵列、集成装置、子单元光纤分路器组、耦合能量光电探测器组、多通道高压放大器、多通道倾斜像差控制器、N×1自适应光束合成模块、三端口光纤环形器、信号加载相位调制器、信号发射激光器、本振激光器、本振光相位调制器、混频器、平衡探测器、数字信号解调模块、低通滤波器、混频活塞像差控制器；其中，N×1自适应光束合成模块由合成相位调制器、2×2端口3-dB光纤耦合器、合成光电探测器、合成活塞像差控制器组成；作为通信接收端，受大气湍流影响产生了畸变的信号光波前被自适应光纤耦合器阵列分割、耦合接收，由N×1自适应光束合成模块实现相干合束，合束后的信号光与由本振激光器发射并经过本振光相位调制器的本振光在混频器中实现光混频，随后接入平衡探测器，平衡探测器的输出电信号连接至数字信号解调模块，通过设置门限判决的方法解调出数字信号作为输出数据；此系统同样可以作为通信发射端，输入数据通过信号加载相位调制器加载到信号发射激光器发射的光波上，再根据光路的互惠性原理实现对发射信号光的波前预补偿；自适应光纤耦合器阵列固定于集成装置上，与子单元光纤分路器组、耦合能量光电探测器组、多通道高压放大器和多通道倾斜像差控制器构成倾斜像差控制子系统，探测并校正子孔径内的倾斜像差；N×1自适应光束合成模块用于补偿三端口光纤环形器前端光纤阵列间的活塞像差，其中，合成相位调制器、2×2端口3-dB光纤耦合器、合成光电探测器和合成活塞像差控制器构成相干合成子单元，探测并校正两个子光路间的相位失配；本振光相位调制器、平衡探测器、低通滤波器和混频活塞像差控制器构成混频活塞像差控制子系统，探测并校正三端口光纤环形器后端光纤光路中信号光与本振光之间的相位失配。
本发明中所述多通道倾斜像差控制器接收耦合能量光电探测器组的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，经多通道高压放大器后作用于自适应光纤耦合器阵列，校正子孔径内的倾斜像差，同时实现信号光至光纤的自适应最优效率耦合；所述合成活塞像差控制器接收合成光电探测器的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，作用于合成相位调制器，补偿相干合成子单元中两个子光路间的活塞像差；所述混频活塞像差控制器接收低通滤波器的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，作用于本振光相位调制器，实现光混频过程中信号光与本振光的最优效率混频。
所述信号发射激光器、本振激光器可为光纤激光器，或带尾纤输出的半导体激光器、固体激光器或其他激光器，且应为单模、窄线宽激光光源。
所述合成相位调制器、信号加载相位调制器、本振光相位调制器可为铌酸锂相位调制器、压电陶瓷环光纤相位调制器或其他相位调制器。
所述耦合能量光电探测器、合成光电探测器可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器，光电探测器的工作波长范围应覆盖信号激光束的光波长。
所述集成装置实现自适应光纤耦合器阵列的密集排布，排布方式可以为三角形、方形、六角形、圆形、环形或其他排布方式；同时，可通过增加自适应光纤耦合器的数量来增大整体接收口径和发射口径。
所述集成装置具备对阵列光束整体接收角度的粗调整功能，自适应光纤耦合器自身具备对光束接收光轴的精密调节功能。
所述多通道倾斜像差控制器、合成活塞像差控制器、混频活塞像差控制器的控制算法可采用随机并行梯度下降算法、爬山法等盲优化控制算法或其他优化控制算法。
所述混频器可为90°光混频器或180°光混频器。
本发明中传输数据通过信号加载相位调制器加载到信号发射激光器发射的光波上，可为BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK或其他相位调制方案。
所述一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统可同时作为相干通信发射端和接收端进行工作，可单独作为相干通信接收端工作，也可单独作为相干通信发射端工作。
本发明的原理可表述为：携带信号的光波经过一定距离传输，因大气湍流影响产生了畸变的光波前经自适应光纤耦合器阵列分割并耦合进光纤阵列，利用多个基于2×2端口3-dB光纤耦合器的相干合成子单元实现相干合束，合束后的信号光与本振光进行混频，随后接入平衡探测器，平衡探测器输出的电信号传输至数字信号解调模块，通过设置门限判决的方法解调出信号数据。
首先，分析空间光耦合至阵列子单元内置光纤的基本原理：
经波前分割后，到达接收光学系统某一个子单元的光波前可表示为：
式中为大气湍流等引入的畸变波前相位，P(x,y)为孔径函数，表示为
对光波前做傅里叶变换后得到聚焦光波振幅分布为：
式中d和f分别为单元耦合透镜的直径和焦距，λ为光束波长。
当光纤归一化频率1.9≤V≤2.4时，光纤中传输光束分布近似为高斯分布，可表示为：
式中ω0为光纤模场半径。根据模式匹配原理，阵列子单元的光纤耦合效率可表示为：
经过大气传输的光束到达接收端，利用自适应光纤耦合器阵列分割光束，假设耦合器阵列子孔径数为N，子孔径直径为d，对到达接收平面时的光强值做归一化处理，即认为此时到达接收面时的总光强为1，每一路子光束分别实现耦合，得到各自的耦合效率ηi(i＝1,2…N)，则此时每一路耦合进光纤的光强值为且由于活塞像差的存在，每一路子光束中存在一定的相位延迟
各子光束利用2×2端口3-dB光纤耦合器进行相干合束，其原理如下所示：
2×2端口3-dB光纤耦合器的传输矩阵为：
两路输入光相位分别用φ1、φ2表示，产生的相位差△φ＝φ1-φ2，这一效应可用下面的矩阵表示：
2×2耦合器输入、输出端口的电场分别用琼斯矩阵和来描述，其转换关系表示为：
由式(5)～式(7)可以得到：
因此，经过3-dB耦合器后，两个输出端口的光强分别为：
由式(10)、式(11)可知，当两输入端的光强值相等时，若输入端的相位差△φ＝π/2+k×2π(k为整数)，则激光全部由输出端口1输出；若输入端相位差△φ＝-π/2+k×2π(k为整数)，则激光全部由输出端口2输出；其他情况下，两个输出端口均有激光输出。并且两输出端口的光强之和等于两输入端口的光强之和。这里提出合束效率的概念，亦即系统的整体耦合效率，定义为：经N×1自适应光束合成模块合束之后获得的光强值与入射至自适应光纤耦合器阵列接收窗口处的光强值的比。
一方面，畸变波前会对耦合效率产生影响，从而影响子光束光强值；另一方面，活塞像差会使各子光束间产生相位失配。在这里，利用2×2耦合器作为相干合束器件，利用其中一路输出端探测到的光强值作为性能指标，对输入端的活塞像差进行补偿，使性能指标达到最小。此时，另外一路输出端的光强值必将达到最大，利用这一路作为有效光强进行后续合束，最终作为接收信号光与本征光进行混频。
接收到的信号光和本振光的表达式分别为：
采用相干零差探测的方式，两束光频率相等，即ωS＝ωL。那么经过180度混频器后得到相位相差π的两束光强度为：
将混频后的两束光接入平衡探测器。假设探测器面积为U，此时平衡探测器输出为零频(ZF)电流：
式中，R为探测器灵敏度，e为电子电量，ηq为量子效率，h为普朗克常数，v为载波光频率。
因此探测到的信号功率可以表示为：
一般的，本振光的功率远强于信号光，所以平衡探测器中本振光的散粒噪声占主要地位，噪声功率可表示为：
因此系统信噪比可表示为：
式中，PS＝∫U|AS|2dU、PL＝∫U|AL|2dU分别为信号光和本征光在探测面上的光功率，B为探测器带宽。
可定义相干零差混频效率为：
信噪比为：
SNRZF＝2SNR0·ηZF (21)
其中
在本系统中，信号光和本振光在光纤中传输，均可近似为高斯分布，子光束间的活塞像差会对合束后的信号光相位产生影响，从而导致信号光与本振光之间的相位失配，影响混频效率。
相干探测中的误码率表示为：
式中，erfc()为补误差函数，在BPSK系统中，Q＝SNR1/2。对零差探测来说有：
SNR＝2SNR0·ηZF (23)
通常探测器面上信号光功率可表示为PS＝NPhvB，所以有：
式中，NP是接收面上1bit对应的光子数，
所以，相干零差探测的误码率公式为：
由上述推导过程可知，系统误码率直接受合成的信号光强以及混频效率影响，而倾斜和活塞像差会直接影响合成的信号光强和混频效率。要想得到理想的低误码系统，需要对其进行校正。
本发明相比于现有技术的优点在于：
(1)本发明的自适应光学系统可直接应用于基于光纤激光阵列的空间相干光通信系统，无需额外设置光波前传感器(如哈特曼波前传感器)及光波前校正器(如变形镜、倾斜镜)，大大简化了结构。
(2)本发明的自适应光学系统可以通过简单拼接的方式实现大口径的激光接收系统和激光发射系统，降低了体积、重量和研发费用，扩展性、实用性强。
(3)本发明中的相位控制系统利用相干合束以增强接收信号光能量，提高信号光与本征光的混频效率，从而降低系统误码，改善通信质量。
(4)本发明中的N×1自适应光束合成模块中利用多个基于2×2端口3-dB光纤耦合器的相干合成子单元来实现级联式的光束合成，控制方式简单，容易实现。
附图说明
图1为本发明一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统的组织结构示意图；
图2为本发明一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统用于实现双端双向激光通信的示意图；
图3为本发明一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统实施例中，经数值仿真得到的大气湍流强度D/r0＝10时采用自适应光纤耦合器阵列接收，系统开环时和校正倾斜及活塞像差时合束效率随仿真次数的变化(其中，D为整体接收口径，r0为大气相干长度)；
图4为本发明一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统实施例中，经数值仿真得到的大气湍流强度D/r0＝10时采用自适应光纤耦合器阵列接收，系统开环时和校正倾斜及活塞像差时混频效率随仿真次数的变化；
图5为本发明一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统实施例中，经数值仿真得到的大气湍流强度D/r0＝10时采用自适应光纤耦合器阵列接收，系统开环时和校正倾斜及活塞像差时误码率(BER)随仿真次数的变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本实施例中一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，包括自适应光纤耦合器1的阵列、集成装置2、子单元光纤分路器3的组、耦合能量光电探测器4的组、多通道高压放大器5、多通道倾斜像差控制器6、N×1自适应光束合成模块7、三端口光纤环形器8、信号加载相位调制器9、信号发射激光器10、本振激光器11、本振光相位调制器12、混频器13、平衡探测器14、数字信号解调模块15、低通滤波器16和混频活塞像差控制器17；其中，N×1自适应光束合成模块7由合成相位调制器7-1、2×2端口3-dB光纤耦合器7-2、合成光电探测器7-3、合成活塞像差控制器7-4组成；作为通信接收端，受大气湍流影响产生了畸变的信号光波前被自适应光纤耦合器1阵列分割、耦合接收，由N×1自适应光束合成模块7实现相干合束，合束后的信号光与由本振激光器11发射并经过本振光相位调制器12的本振光在混频器13中实现光混频，随后接入平衡探测器14，平衡探测器14的输出电信号连接至数字信号解调模块15，通过设置门限判决的方法解调出数字信号作为输出数据；此系统同样可以作为通信发射端，输入数据通过信号加载相位调制器9加载到信号发射激光器10发射的光波上，再根据光路的互惠性原理实现对发射信号光的波前预补偿；自适应光纤耦合器1阵列固定于集成装置2上，与子单元光纤分路器3组、耦合能量光电探测器4组、多通道高压放大器5和多通道倾斜像差控制器6构成倾斜像差控制子系统，探测并校正子孔径内的倾斜像差；N×1自适应光束合成模块7用于补偿三端口光纤环形器8前端光纤阵列间的活塞像差，其中，合成相位调制器7-1、2×2端口3-dB光纤耦合器7-2、合成光电探测器7-3和合成活塞像差控制器7-4构成相干合成子单元，探测并校正两个子光路间的相位失配；本振光相位调制器12、平衡探测器14、低通滤波器16和混频活塞像差控制器17构成混频活塞像差控制子系统，探测并校正三端口光纤环形器8后端光纤光路中信号光与本振光之间的相位失配。
本实施例中的自适应光纤阵列式激光收发系统，自适应光纤耦合器阵列的排布方式为：横向数目为3、总数目为7的正六边形排布，整体接收口径D＝100mm，子孔径直径d＝28mm，相邻孔径间距l＝32mm，即阵列的填充因子F＝d/l＝0.875。
由图3可知，经本系统校正倾斜及活塞像差后，提高了阵列光束的合束效率。
由图4可知，经本系统校正倾斜及活塞像差后，实现了高效、高稳定的混频效率。
假设信号光强值为1时，取NP＝10，此时理想情况下的误码率达到10-10，作为理想参考。由图5可知，经本系统校正倾斜及活塞像差后，可以将误码率提高3～4个量级。
本实例中的控制算法为随机并行梯度下降算法：利用性能指标的变化量△J和控制参量的变化量△u对控制参量的梯度进行迭代搜索，最终实现对误差的校正。
其校正过程为：在某次迭代时，算法产生i维的微小随机扰动{△ui}(i＝1,2,…,n)(常用Bernoulli分布)并被同时叠加到相位调制器上。这时，系统性能指标将对此做出响应，可求得性能指标的改变量为：
△J＝J(u1+△u1,u2+△u2,...,ui+△ui)-J(u1-△u1,u2-△u2,...,ui-△ui) (26)
利用随机扰动{△ui}和性能指标的改变量△J对本次迭代中目标函数的梯度进行估计，得到新的控制参数为：
其中，γ为算法增益。γ为正值时，系统向性能指标极大值方向优化；γ为负值时，系统向性能指标极小值方向优化。
至此，本发明完成了对一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统的详细描述。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于包括：自适应光纤耦合器(1)阵列、集成装置(2)、子单元光纤分路器(3)组、耦合能量光电探测器(4)组、多通道高压放大器(5)、多通道倾斜像差控制器(6)、N×1自适应光束合成模块(7)、三端口光纤环形器(8)、信号加载相位调制器(9)、信号发射激光器(10)、本振激光器(11)、本振光相位调制器(12)、混频器(13)、平衡探测器(14)、数字信号解调模块(15)、低通滤波器(16)和混频活塞像差控制器(17)；其中，N×1自适应光束合成模块(7)由合成相位调制器(7-1)、2×2端口3-dB光纤耦合器(7-2)、合成光电探测器(7-3)、合成活塞像差控制器(7-4)组成；作为通信接收端，受大气湍流影响产生了畸变的信号光波前被自适应光纤耦合器(1)阵列分割、耦合接收，由N×1自适应光束合成模块(7)实现相干合束，合束后的信号光与由本振激光器(11)发射并经过本振光相位调制器(12)的本振光在混频器(13)中实现光混频，随后接入平衡探测器(14)，平衡探测器(14)的输出电信号连接至数字信号解调模块(15)，通过设置门限判决的方法解调出数字信号作为输出数据；所述自适应光纤阵列式激光收发系统能够作为通信发射端，输入数据通过信号加载相位调制器(9)加载到信号发射激光器(10)发射的光波上，再根据光路的互惠性原理实现对发射信号光的波前预补偿；自适应光纤耦合器(1)阵列固定于集成装置(2)上，与子单元光纤分路器(3)组、耦合能量光电探测器(4)组、多通道高压放大器(5)和多通道倾斜像差控制器(6)构成倾斜像差控制子系统，探测并校正子孔径内的倾斜像差；N×1自适应光束合成模块(7)用于补偿三端口光纤环形器(8)前端光纤阵列间的活塞像差，其中，合成相位调制器(7-1)、2×2端口3-dB光纤耦合器(7-2)、合成光电探测器(7-3)和合成活塞像差控制器(7-4)构成相干合成子单元，探测并校正两个子光路间的相位失配；本振光相位调制器(12)、平衡探测器(14)、低通滤波器(16)和混频活塞像差控制器(17)构成混频活塞像差控制子系统，探测并校正三端口光纤环形器(8)后端光纤光路中信号光与本振光之间的相位失配。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述多通道倾斜像差控制器(6)接收耦合能量光电探测器(4)组的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，经多通道高压放大器(5)后作用于自适应光纤耦合器(1)阵列，校正子孔径内的倾斜像差，同时实现信号光至光纤的自适应最优效率耦合；所述合成活塞像差控制器(7-4)接收合成光电探测器(7-3)的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，作用于合成相位调制器(7-1)，补偿相干合成子单元中两个子光路间的活塞像差；所述混频活塞像差控制器(17)接收低通滤波器(16)的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，作用于本振光相位调制器(12)，实现光混频过程中信号光与本振光的最优效率混频。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述信号发射激光器(10)、本振激光器(11)为光纤激光器，或带尾纤输出的半导体激光器或固体激光器，且应为单模、窄线宽激光光源。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述合成相位调制器(7-1)、信号加载相位调制器(9)、本振光相位调制器(12)为铌酸锂相位调制器或压电陶瓷环光纤相位调制器。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述耦合能量光电探测器(4)、合成光电探测器(7-3)为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管或光电倍增管，光电探测器的工作波长范围应覆盖信号激光束的光波长。
6.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述集成装置(2)实现自适应光纤耦合器(1)阵列的密集排布，排布方式为三角形、方形、六角形、圆形或环形；同时，可通过增加自适应光纤耦合器(1)的数量来增大整体接收口径和发射口径。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述集成装置(2)具备对阵列光束整体接收角度的粗调整功能，自适应光纤耦合器(1)自身具备对光束接收光轴的精密调节功能。
8.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述多通道倾斜像差控制器(6)、合成活塞像差控制器(7-4)、混频活塞像差控制器(17)的控制算法采用随机并行梯度下降算法或爬山法。
9.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：所述混频器(13)为90°光混频器或180°光混频器。
10.根据权利要求1所述的一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统，其特征在于：传输数据通过信号加载相位调制器(9)加载到信号发射激光器(10)发射的光波上，为BPSK、DPSK、QPSK或DQPSK；所述自适应光纤阵列式激光收发系统能够同时作为相干通信发射端和接收端进行工作，或单独作为相干通信接收端工作，或单独作为相干通信发射端工作。
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