CN107293077A - 基于正交cppm信号的周界入侵探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置及方法，是利用CPPM信号辐射单元的第1级到第n级CPPM信号源分别产生相互正交且带宽可调的CPPM探测信号，并将探测信号传入与其相连的第1级到第N级辐射用泄漏电缆中，再由各段泄漏电缆向外辐射，接收用泄漏电缆用于接收辐射信号，从而在各自的空间建立互不干扰的电磁场。当入侵者穿越泄漏电缆时，会对两电缆之间的电磁场产生扰动，部分表面波被反射并耦合进入电磁接收单元，传至中心处理单元。参考信号模块产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号。信号采集模块对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块对参考信号和回波信号进行相关计算确定目标位置，最后显示入侵探测结果。
Description
技术领域
本发明涉及周界入侵探测技术，具体为一种基于正交混沌脉冲位置调制（chaotic-pulse-position-modulation，CPPM）信号实现大警戒范围内高精度、抗干扰的周界入侵探测装置，可为监狱、军品物资库、核废处理场、导弹试验场、海关管制区等机密重要场所提供可靠的安全保障手段。
背景技术
周界入侵探测技术能够有效保护被警戒区域，阻止违法犯罪现象发生。警戒区域涉及监狱、军品物资库、核废处理场、导弹试验场、海关管制区等机密重要场所。
目前常用的周界入侵探测技术包括以下几种：1)红外对射系统（光电技术应用,Vol. 28,p.1-4, 2013）：红外对射系统通常由发射器和接收器构成。经过光束聚焦，在发射器和接收器之间形成一道不可见的封锁线，当入侵者经过该区域时，挡住红外光束引发报警。2)脉冲电子围栏（计算机测量与控制, Vol. 20, p. 2529-2531,2012）：脉冲电子围栏是由脉冲发生器和前端携带脉冲电的缆线组成，其防范原理是其前端缆线产生的非致命高压脉冲能有效击退入侵者，并提供报警。3)视频移动探测器（IEEE Trans. Pattern Anal.Mach. Intell., Vol. 19, p. 780-785,1997）：视频移动探测器是对摄像机产生的图像进行电子分析，通过比较几帧图像的差异判断画面有无变化，从而判断是否有入侵者闯入。4)微波雷达电子墙：微波雷达电子墙由一对雷达发射机和接收机组成，两个设备间隔一定距离安装，该距离即为警戒区域。发射机发射电磁波，接收机接收。如果接收机接收到的电磁波发生异常变化，则可断定有入侵者进入。5)传感器类周界安防设备：包括振动传感探测器（IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 27, p. 1349-1352,2015）、压力感应探测器（IEEEPhoton. Technol. Lett., Vol. 13, p. 618-619,2001）等，这类报警的方式都是入侵者直接或者间接触碰到传感器，才能引发报警。
上述周界入侵探测技术存在两方面的共性缺陷：一方面探测设备通常暴露在外，容易遭到入侵者的蓄意躲避和恶意破坏，隐蔽性差；另一方面探测设备对天气变化和地形环境的适应性差，风、雨、雪、雾、冰雹、白天/黑夜等天气变化和复杂多样的地形环境会给探测设备造成严重干扰，引起虚警误判和探测盲区。
泄漏电缆周界入侵探测系统（IEEE Trans. Antennas Propag.，Vol. 59, p.2396-2403,2011）作为一种新型周界入侵探测技术，近几年得到迅速发展。该方法是采用一对泄漏电缆作为系统的收发天线，在两根电缆间形成不可见的电磁场区域，当有人或体积较大动物经过触动报警。泄漏电缆周界入侵探测系统从根本上解决了上述其他检测技术存在的共性缺陷：1) 由于泄漏电缆通常浅埋于地下或者镶嵌在墙体内，不影响周边环境或建筑物的外观，且探测场不可见，入侵者感觉不到泄漏电缆的存在且不知道具体位置，更无法绕过或破坏，隐蔽性极强；2) 泄漏电缆的柔韧性很好，可以根据不同的地形、警戒区域自由灵活地改变铺设形状和方向，实现无盲区全覆盖探测。
然而，泄漏电缆周界入侵探测技术仍存在以下几方面亟待改进和解决的问题：(1)警戒范围的扩大。目前，泄漏电缆周界入侵探测系统的警戒范围限制在200m。单个探测系统的警戒范围是远远无法满足像监狱、核废处理场、导弹试验场和海关管制区等场所的周界防护的。因此，为了增大警戒面积，通常采用将多个基于泄漏电缆的周界入侵探测单元集合的方法，即每个单元都配有一个探测主机，由各主机将探测到的入侵信号送到中控系统进行后续处理。要想在较大的警戒范围内更加准确地确定入侵点，就必须增加监测单元及相应的探测主机的数量，这将使得整个系统更加庞大和复杂，成本也将直线上升；其次，各单元探测主机（甚至探头）必须置于户外使用，不仅对其各项技术指标和各种防护性能提出了更高的要求，而且在很大程度上破坏了整个系统的隐蔽性。(2)定位精度的提高。目前，以色列Senstar-Stellar公司的Perimitrax系列泄漏电缆入侵探测系统定位精度最高可以达到1m，国内该项技术的最高定位精度仅能达到20m，相差甚远。定位精度的进一步提高有助于迅速、准确地确定入侵者位置，为及时采取各种后续处理措施提供可靠保障。(3)抗电磁干扰能力的提升。入侵者如果携带电磁干扰源，干扰源辐射出来的电磁波被耦合进接收电缆，会对系统发射的探测信号造成干扰，影响探测效果。此外，空间中0.9GHz、1.8GHz 的无线通讯信号以及噪声信号也会对探测效果产生一定影响。
发明内容
本发明为解决泄漏电缆周界入侵探测技术存在的定位精度低、警戒范围小和抗电磁干扰差的问题，提出了一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置及方法。该装置及方法可在大警戒范围实现高精度、抗干扰的周界入侵定位与识别。此外，还具有全天候工作、安全隐蔽、可按任意形状周界轮廓铺设且无工作盲点等特点。
本发明所述的一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置是采用以下技术方案实现的：一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置，包括CPPM信号辐射单元、电磁接收单元和中心处理单元；所述的CPPM信号辐射单元包括第1级CPPM信号源至第n级CPPM信号源、第1级无线同步开关模块至第n级无线同步开关模块、第1级辐射用泄漏电缆至第N级辐射用泄漏电缆以及辐射端阻抗匹配终端；其中n=N且n≥2；n个CPPM信号源与n个无线同步开关模块一一对应连接；所述n个CPPM信号源通过N-1个辐射用泄漏电缆顺次连接起来，第n级CPPM信号源的另一端连接有第N级辐射用泄漏电缆的一端，第N级辐射用泄漏电缆的另一端则连接有辐射端阻抗匹配终端；所述n个CPPM信号源的输出信号彼此正交且带宽连续可调；所述的电磁接收单元包括与CPPM信号辐射单元相匹配的接收用泄漏电缆以及连接在接收用泄漏电缆一端的接收端阻抗匹配终端；所述接收用泄漏电缆伴随CPPM信号辐射单元布置并与CPPM信号辐射单元存有间隔且走向相同；所述的中心处理单元包括用于产生与各CPPM信号源同步的CPPM信号的参考信号模块、信号采集模块、信号处理模块、结果显示模块和参考信号的无线同步开关模块；所述参考信号模块的信号输入端与参考信号的无线同步开关模块的信号输出端相连接；参考信号模块的输出端与信号采集模块的一个信号输入端相连接；信号采集模块的另一个信号输入端与接收用泄漏电缆的另一端相连接；信号采集模块的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连接；信号处理模块的信号输出端与结果显示模块的信号输入端相连接。
本发明的工作原理：CPPM信号辐射单元的第1级到第n级CPPM信号源分别产生相互正交且带宽可调的CPPM探测信号，并将探测信号传入与其相连的面向不同警戒范围的第1级到第N级辐射用泄漏电缆中，再由各段泄漏电缆向外辐射，接收用泄漏电缆用于接收辐射信号，从而在各自的探测空间建立互不干扰的电磁场。当入侵者穿越泄漏电缆时（不管是由接收用泄漏电缆进入还是辐射用泄漏电缆进入），会对两电缆之间所围成的探测空间内的电磁场产生扰动，部分表面波被反射并耦合进入电磁接收单元，传至中心处理单元。参考信号的无线同步开关模块以及连接在各级CPPM信号源上的无线同步开关模块控制中心处理单元中的参考信号模块产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号。信号采集模块对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块对参考信号和回波信号进行相关计算确定目标位置，并对入侵信号进行时频域瞬时参数联合分析，实现对入侵者的分类和特征识别，最后由结果显示模块显示入侵探测结果。接收用泄漏电缆和辐射用泄漏电缆铺设的时候线要尽量平行，铺设形状可以根据警戒区域的形状来灵活改变。所述参考信号模块是在无线同步开关模块的控制下，同时产生n个CPPM参考信号，这些参考信号和信号源发射的n个CPPM信号一一对应。
本发明所述的基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法是采用如下技术方案实现的：一种基于正交混沌脉冲位置调制信号的周界入侵探测方法，CPPM信号辐射单元的第1级到第n级CPPM信号源分别产生相互正交且带宽可调的CPPM探测信号，并将探测信号传入与其相连的面向不同警戒范围的第1级到第N级辐射用泄漏电缆中，再由各段辐射用泄漏电缆向外辐射，接收用泄漏电缆用于接收辐射信号，两个相邻的CPPM信号源与连接所述相邻CPPM信号源的辐射用泄漏电缆以及该辐射用泄漏电缆对应的接收用泄漏电缆部分之间构成一个探测空间，各个探测空间建立互不干扰的电磁场；当入侵者穿越泄漏电缆进入某个探测空间时，会对该探测空间内的电磁场产生扰动，该探测空间内的部分表面波被反射并耦合进入电磁接收单元，作为目标回波信号传至中心处理单元；参考信号的无线同步开关模块以及连接在各级CPPM信号源上的无线同步开关模块控制中心处理单元中的参考信号模块产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号。信号采集模块对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块对参考信号和目标回波信号进行相关计算确定目标位置，最后由结果显示模块显示入侵探测结果。
本发明提供的一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置及方法，与现有技术相比，不仅提高了入侵目标的定位精度，扩大了入侵的监控范围，而且对恶劣天气和电磁干扰具有优越的抵抗能力：
一、本发明提高了入侵的探测范围和定位精度，探测范围达到上千米，定位精度达到厘米量级，为迅速、准确地确定入侵者位置，及时采取各种后续处理措施提供可靠保障；
二、本发明基于CPPM信号的强抗干扰性，可以有效抵抗空间电磁干扰包括无线通信信号和入侵者携带的电磁干扰源；
三、本发明具有全天候工作、安全隐蔽、可按任意形状周界轮廓铺设且无工作盲点等优点，适用于监狱、军品物资库、核废处理场、导弹试验场、海关管制区等机密重要场所的入侵检测。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图2是本发明所述装置中CPPM信号源的结构示意图。
图3是带宽分别为0.62GHz、1GHz和1.56GHz的CPPM信号的时序和功率图。
图4是CPPM信号的自相关和互相关曲线图。
图5是本发明优选的具体实施方式中的布设示意图。
图中：1：CPPM信号辐射单元；1a:第1级CPPM信号源；1b：第2级CPPM信号源；1n：第n级CPPM信号源；1a'：第1级无线同步开关模块；1b'：第2级无线同步开关模块；1n'：第n级无线同步开关模块；1A:第1级辐射用泄漏电缆；1B:第2级辐射用泄漏电缆；1N：第N级辐射用泄漏电缆；1o：辐射端阻抗匹配终端；2：电磁接收单元；2a：接收用泄漏电缆；2b：接收端阻抗匹配终端；3：中心处理单元；3a：参考信号模块；3b：信号采集模块；3c：信号处理模块；3d：结果显示模块；3e：参考信号的无线同步开关模块；4：混沌映射模块；5：计数器；6：比较器；7：脉冲发生器；8：静态随机存取存储控制器；9：静态随机存取存储器；10：高速串行收发控制器；11：高速串行收发器接口；12：差分输出模块。
具体实施方式
一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置，包括CPPM信号辐射单元1、电磁接收单元2和中心处理单元3；所述的CPPM信号辐射单元1包括第1级CPPM信号源1a至第n级CPPM信号源1n、第1级无线同步开关模块1a'至第n级无线同步开关模块1n'、第1级辐射用泄漏电缆1A至第N级辐射用泄漏电缆1N以及辐射端阻抗匹配终端1o；其中n=N且n≥2；n个CPPM信号源与n个无线同步开关模块一一对应连接；所述n个CPPM信号源通过N-1个辐射用泄漏电缆顺次连接起来，第n级CPPM信号源1n的另一端连接有第N级辐射用泄漏电缆1N的一端，第N级辐射用泄漏电缆1N的另一端则连接有辐射端阻抗匹配终端1o；所述n个CPPM信号源的输出信号彼此正交且带宽连续可调；所述的电磁接收单元2包括与CPPM信号辐射单元1相匹配的接收用泄漏电缆2a以及连接在接收用泄漏电缆2a一端的接收端阻抗匹配终端2b；所述接收用泄漏电缆2a伴随CPPM信号辐射单元1布置并与CPPM信号辐射单元1存有间隔且走向相同；所述的中心处理单元3包括用于产生与各CPPM信号源同步的CPPM信号的参考信号模块3a、信号采集模块3b、信号处理模块3c、结果显示模块3d和参考信号的无线同步开关模块3e；所述参考信号模块3a的信号输入端与参考信号的无线同步开关模块3e的信号输出端相连接；参考信号模块3a的信号输出端与信号采集模块3b的一个信号输入端相连接，信号采集模块3b的另一个信号输入端与接收用泄漏电缆2a的另一端相连接；信号采集模块3b的信号输出端与信号处理模块3c的信号输入端相连接；信号处理模块3c的信号输出端与结果显示模块3d的信号输入端相连接。
一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，CPPM信号辐射单元1的第1级到第n级CPPM信号源分别产生相互正交且带宽可调的CPPM探测信号，并将探测信号传入与其相连的面向不同警戒范围的第1级到第N级辐射用泄漏电缆中，再由各段辐射用泄漏电缆向外辐射，接收用泄漏电缆2a用于接收辐射信号，两个相邻的CPPM信号源与连接所述相邻CPPM信号源的辐射用泄漏电缆以及该辐射用泄漏电缆对应的接收用泄漏电缆部分之间构成一个探测空间，各个探测空间建立互不干扰的电磁场；当入侵者穿越泄漏电缆进入某个探测空间时，会对该探测空间内的电磁场产生扰动，该探测空间内的部分表面波被反射并耦合进入电磁接收单元2，作为目标回波信号传至中心处理单元3；参考信号的无线同步开关模块3e以及连接在各级CPPM信号源上的无线同步开关模块控制中心处理单元3中的参考信号模块3a产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号，信号采集模块3b对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块3c对参考信号和目标回波信号进行相关计算确定目标位置，最后由结果显示模块3d显示入侵探测结果。
信号处理模块3c还对入侵信号进行时频域瞬时参数联合分析，实现对入侵者的分类和特征识别，最后由结果显示模块3d显示入侵探测结果。
n个CPPM信号源的输出信号在0.62GHz到1.56GHz范围内连续可调；所述接收用泄漏电缆和辐射用泄漏电缆之间的间距为0.5m-1.5m。
辐射用泄漏电缆共有10级，第1级至第10级辐射用泄漏电缆每一级的长度均为100m；所述的接收用泄漏电缆2a长度为1000m。
为了更好地说明本发明中基于CPPM信号源产生多路彼此正交且带宽可调CPPM信号的方法和装置，下面结合附图2、3和4，做进一步的详细描述。
彼此正交且带宽可调的CPPM调制信号是基于多个现场可编程门阵列开发板产生的。图2是CPPM信号的硬件实现框图，构成模块有：混沌映射模块4、计数器5、比较器6、脉冲发生器7、静态随机存取存储控制器8、静态随机存取存储器9、高速串行收发控制器10、高速串行收发器接口11、以及差分输出模块12。图中CPPM信号的产生是以一个闭环反馈结构实现的，混沌映射模块4采用Logistic映射函数（x n+1=λ(1-x n )x n ，λ=4，x 0=0.4），输出值在0-1间变化，计数器5从零开始计数直到计数值大于Logistic映射的输出，这时触发脉冲发生器7产生一个新的脉冲，同时，新脉冲闭环反馈到计数器5与混沌映射模块4输入端，上升沿触发计数器5复位为零，并更新混沌映射输出进入下一个状态。CPPM序列通过静态随机存取存储控制器8存入到静态随机存取存储器9中，再经高速串行收发控制器10导入高速串行发送器接口11，最后由差分输出模块12将CPPM信号输出。通过改变高速串行收发控制器10的内部时钟可以调节CPPM信号的带宽。图3是带宽分别为0.62GHz、1GHz和1.56GHz的CPPM信号的时序和功率图（脉冲宽度1.61ns@带宽620MHz, 脉冲宽度1ns@带宽1GHz, 脉冲宽度0.64ns@带宽1.56GHz），表明该信号源可以产生带宽可调的CPPM信号。图4是CPPM信号的自相关曲线以及利用两个FPGA产生两路CPPM信号之间的互相关曲线，表明CPPM信号具有良好的自相关性，同时不同信号源产生的CPPM信号不具有相关性，彼此正交。
本发明所述的一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置的具体布设的示意如图5所示：CPPM信号辐射单元1和电磁接收单元2并行放置，沿被警戒区域环绕一周，间距为0.5m-1.5m，铺设在离地面5cm-8cm深度的位置处。当入侵者进入接收用泄漏电缆和辐射用泄漏电缆所围成的环状区域时，入侵者引起的目标回波信号被接收用泄漏电缆接收并传输至中心处理单元，参考信号的无线同步开关模块3e以及连接在各级CPPM信号源上的无线同步开关模块控制中心处理单元3中的参考信号模块3a产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号，信号采集模块3b对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块3c对参考信号和目标回波信号进行相关计算确定目标位置，最后由结果显示模块3d显示入侵探测结果（入侵者的位置）。
Claims (6)
1.一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测装置，其特征在于，包括CPPM信号辐射单元（1）、电磁接收单元（2）和中心处理单元（3）；所述的CPPM信号辐射单元（1）包括第1级CPPM信号源（1a）至第n级CPPM信号源(1n）、第1级无线同步开关模块（1a'）至第n级无线同步开关模块(1n'）、第1级辐射用泄漏电缆（1A）至第N级辐射用泄漏电缆（1N）以及辐射端阻抗匹配终端（1o）；其中n=N且n≥2；n个CPPM信号源与n个无线同步开关模块一一对应连接；所述n个CPPM信号源通过N-1个辐射用泄漏电缆顺次连接起来，第n级CPPM信号源（1n）的另一端连接有第N级辐射用泄漏电缆（1N）的一端，第N级辐射用泄漏电缆（1N）的另一端则连接有辐射端阻抗匹配终端（1o）；所述n个CPPM信号源的输出信号彼此正交且带宽连续可调；所述的电磁接收单元（2）包括与CPPM信号辐射单元（1）相匹配的接收用泄漏电缆（2a）以及连接在接收用泄漏电缆（2a）一端的接收端阻抗匹配终端（2b）；所述接收用泄漏电缆（2a）伴随CPPM信号辐射单元（1）布置并与CPPM信号辐射单元（1）存有间隔且走向相同；所述的中心处理单元（3）包括用于产生与各CPPM信号源同步的CPPM信号的参考信号模块（3a）、信号采集模块（3b）、信号处理模块（3c）、结果显示模块（3d）和参考信号的无线同步开关模块（3e）；所述参考信号模块（3a）的信号输入端与参考信号的无线同步开关模块（3e）的信号输出端相连接；参考信号模块（3a）的信号输出端与信号采集模块（3b）的一个信号输入端相连接；信号采集模块（3b）的另一个信号输入端与接收用泄漏电缆（2a）的另一端相连接；信号采集模块（3b）的信号输出端与信号处理模块（3c）的信号输入端相连接；信号处理模块（3c）的信号输出端与结果显示模块（3d）的信号输入端相连接。
2.一种基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，采用如权利要求1所述的装置实现，其特征在于，CPPM信号辐射单元（1）的第1级到第n级CPPM信号源分别产生相互正交且带宽可调的CPPM探测信号，并将探测信号传入与其相连的面向不同警戒范围的第1级到第N级辐射用泄漏电缆中，再由各段辐射用泄漏电缆向外辐射，接收用泄漏电缆（2a）用于接收辐射信号，两个相邻的CPPM信号源与连接所述相邻CPPM信号源的辐射用泄漏电缆以及该辐射用泄漏电缆对应的接收用泄漏电缆部分之间构成一个探测空间，各个探测空间建立互不干扰的电磁场；当入侵者穿越泄漏电缆进入某个探测空间时，会对该探测空间内的电磁场产生扰动，该探测空间内的部分表面波被反射并耦合进入电磁接收单元（2），作为目标回波信号传至中心处理单元（3）；参考信号的无线同步开关模块（3e）以及连接在各级CPPM信号源上的无线同步开关模块控制中心处理单元（3）中的参考信号模块（3a）产生与各辐射单元同步的CPPM信号作为参考信号，信号采集模块（3b）对CPPM参考信号和目标回波信号进行同步采集，信号处理模块（3c）对参考信号和目标回波信号进行相关计算确定目标位置，最后由结果显示模块（3d）显示入侵探测结果。
3.如权利要求2所述的基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，其特征在于，信号处理模块（3c）还对入侵信号进行时频域瞬时参数联合分析，实现对入侵者的分类和特征识别，最后由结果显示模块（3d）显示入侵探测结果。
4.如权利要求2或3所述的基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，其特征在于，n个CPPM信号源的输出信号在0.62GHz到1.56GHz范围内连续可调；所述接收用泄漏电缆和辐射用泄漏电缆之间的间距为0.5m-1.5m。
5.如权利要求2或3所述的基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，其特征在于，辐射用泄漏电缆共有10级，第1级至第10级辐射用泄漏电缆每一级的长度均为100m；所述的接收用泄漏电缆（2a）长度为1000m。
6.如权利要求4所述的基于正交CPPM信号的周界入侵探测方法，其特征在于，辐射用泄漏电缆共有10级，第1级至第10级辐射用泄漏电缆每一级的长度均为100m；所述的接收用泄漏电缆（2a）长度为1000m。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113567971A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-10-29 | 太原理工大学 | 基于混合式cppwm雷达的入侵探测装置与方法 |
| CN113567974A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-10-29 | 太原理工大学 | 基于cppwm-mimo雷达的多生命体智能检测装置及方法 |
| CN113567971B (zh) * | 2021-06-22 | 2023-07-14 | 太原理工大学 | 基于混合式cppwm雷达的入侵探测装置与方法 |
| CN113567974B (zh) * | 2021-06-22 | 2023-11-03 | 太原理工大学 | 基于cppwm雷达的多生命体智能检测装置及方法 |
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| CN107293077B (zh) | 2019-01-08 |
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