CN108344432B - 获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法。该方法包括：将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光；通过所述光接收设备两次采集所述反射光，分别得到反射光中携带的布里渊传感信息的参考谱、测量谱，将所述测量谱减去所述参考谱，得到相减谱；对相减谱进行分析，获取布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域，分析谱块区域并提取传感信息。本发明通过将布里渊频谱中的测量谱减去原始谱，可以将未发生频谱偏移也就是应力和温度等没有改变的光纤段去除，而仅仅处理携带传感信息的部分，从而减小工作量、降低数据处理时间、快速获取分布式传感信息。

Description

获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法。
背景技术
光纤传感技术是一种以光纤为媒质，光为感知载体和信号传输载体的传感技术。现有技术中的一种光纤传感系统的结构示意图如图1所示，当光在光纤中传输时，一旦受到外界应力、温度等因素的影响，光纤传感器传输的光的功率、频率、相位、偏振态等参数会发生改变。通过对这些参数的检测，可以获知外界的环境信息。
光纤传感器的分类方式有许多，按照传感范围划分，可以分为点式光纤传感器和准分布式、分布式光纤传感器。分布式光纤传感器(DistributedOptical fiber Sensor)是一种有广阔应用前景的光纤传感技术，其最显著的优点是可以准确地分布式测量光纤沿线上任一点的应力、温度、振动和损伤等信息。根据光波在光纤中传播时产生的后向散射光的频谱与功率特征与外界环境相互关系，通过频率偏移和功率分析光纤的散射光的分布来进行检测，可以在整个光纤上对光纤沿线的物理参量进行连续的测量。
从上世纪七十年代问世至今，光纤传感器取得了相当大的发展。特别是基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的分布式传感技术。由于基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在温度、应变测量上所达到的测量精度，测量范围以及空间分辨率上均高于其他传感技术，该技术目前得到广泛的关注和研究。
近些年来布里渊分布式传感发展迅速，广泛的应用于国民经济各个领域内。诸如大型电力设施、水利设施、石油储运设施等的结构监测；电力电缆的表面温度检测、火情监测发电厂和变电站的温度检测监控、火灾报警；大坝、桥梁及其他混凝土结构裂变的监测、混凝土凝固与养护温度与应变监测、大型民用工程的结构健康监测；石油天然气行业，石油、天然气输送管线和储罐泄露监测、油罐、油库、油管的温度监测故障点检测。
利用布里渊散射光谱对应力和温度的双重敏感特性，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的布里渊散射光的频率会发生漂移，漂移量与光纤中的应力变化量和温度变化量呈现良好的线性关系，其表达式为：
式中CT是温度系数，ΔT是温度的改变量，是参考的布里渊频率，Cε是应变系数，T是环境温度，ε是应变的大小。
目前，最常用的获得布里渊分布式传感系统传感信息的方法为：通过洛伦兹曲线沿光纤方向逐点拟合，并获得整段光纤上的布里渊频移，根据各点的布里渊频移即可应用上式(1)获得该点的温度和应变信息。
上述现有技术中的获得布里渊分布式传感器信息的方法的缺点为：该方法通过洛伦兹曲线逐点拟合，不区分该点是否携带传感信息，整段光纤拟合不仅耗费计算资源，也相当耗时。而当前的发展趋势是传感长度越来越长、空间分辨率越来越高，光纤沿线可包含100万个以上传感点，传统的洛伦兹曲线拟合过程相当耗时且低效，导致信息提取时间过长，且难以实现动态测量。
发明内容
本发明的实施例提供了一种获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法，以实现经济、高效地获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法，包括：
将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光；
通过所述光接收设备两次采集所述反射光，分别得到所述反射光中携带的布里渊传感信息的参考谱和测量谱，将所述测量谱减去所述参考谱，得到相减谱；
对所述相减谱进行分析，获取所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域，分析所述谱块区域并提取传感信息。
进一步地，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤之前包括：
将同一个激光器的输出光分成两束，一束光经调制器件和脉冲信号发生器调制成布里渊光纤分布式传感系统的泵浦光；另一束光经调制器件调制成布里渊光纤分布式传感系统的信号光。
进一步地，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤之前还包括：
激光器发出的一束脉冲光作为布里渊光纤分布式传感系统的泵浦光，自布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤的一端入射。
进一步地，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光，包括：
将所述泵浦光和所述信号光分别从被测试的布里渊光纤分布式传感系统中的传感光纤的两端注入，所述泵浦光和所述信号光在传感光纤中相向传输，所述信号光产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了布里渊光纤分布式传感系统的传感信息；
所述布里渊光纤分布式传感系统的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到所述布里渊光纤分布式传感系统发出的包含传感信息的发射光。
进一步地，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光，包括：
将信号光从被测试的布里渊光纤分布式传感系统中的传感光纤的一端入射，所述信号光背向布里渊散射光沿传感光纤原路返回到脉冲光的入射端，所述信号光与光纤中的声学声子相互作用产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了布里渊光纤分布式传感系统的传感信息；
所述布里渊光纤分布式传感系统的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到所述布里渊光纤分布式传感系统发出的包含传感信息的发射光。
进一步地，所述的对所述相减谱进行分析，获取所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域，包括：
通过信号处理单元分别得到所述反射光中携带的布里渊传感信息的参考谱和测量谱，将所述测量谱减去所述参考谱，得到相减谱；
所述信号处理单元选取频谱阈值T，利用频谱阈值T从含噪的相减谱中提取出包含传感信息的频移区段，将噪声区段和包含传感信息的频移区段分开。
进一步地，所述频谱阈值T根据所述布里渊光纤分布式传感系统的噪声、信号光的噪声、信号光的信噪比和/或泵浦光的信噪比等参数设定。
进一步地，所述的对所述相减谱进行分析，获取所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域，包括：
通过信号处理单元分别得到所述反射光中携带的布里渊传感信息的参考谱和测量谱，将所述测量谱减去所述参考谱，得到相减谱；
所述信号处理单元通过对相减谱进行边缘提取计算，获取相减谱的边缘曲线所在的位置，根据所述边缘曲线所在的位置获得所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域。
进一步地，所述的分析所述谱块区域并提取传感信息，包括：
所述信号处理单元利用拟合方法对所述包含传感信息的频移区段进行拟合，获得所述布里渊光纤分布式传感系统的频移区段的应变和温度信息。
进一步地，所述的分析所述谱块区域并提取传感信息，包括：
所述信号处理单元利用所述包含传感信息的频移区段中各点曲线的峰值和谷值与原所述反射光的布里渊频移的关系，计算出所述包含传感信息的频移区段中各点曲线的布里渊频移，获得所述布里渊光纤分布式传感系统的频谱区段的应变和温度信息。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的方法通过将布里渊频谱中的测量谱减去原始谱，与传统的洛伦兹拟合算法相比，该方法可以将未发生频谱偏移也就是应力和温度等没有改变的点去除，可只提取到发生频谱偏移的频谱段，可不处理不携带传感信息的光纤段，而仅仅处理携带传感信息的光纤段，从而大大减小工作量、提高数据提取效率、降低处理时间。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的光纤传感系统的原理图；
图2为本发明实施例使用的一种测量布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的装置结构图——布里渊光时域分析仪；
图3为本发明实施例提供的另一种测量布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的装置结构图——布里渊光时域反射计；
图4为本发明实施例提供的一种利用相减谱获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的实现原理图；
图5a为本发明实施例提供的一种原始光谱示意图；
图5b为本发明实施例提供的一种10km的传感光纤的布里渊谱，在8.5～9.5km范围内发生了频谱偏移，偏移量为40MHz的示意图；
图5c为本发明实施例提供的一种图5b减图5a所得的相减频谱图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
绝大多数测量中，光纤上并不是每一个点都发生了温度变化或受到应力，只有那些温度或者应力改变的点的频谱才会发生偏移。因此，本发明实施例认为光纤上并不是每一个点都需要进行曲线拟合，只需要提取并分析计算频率发生改变的点，即可获得整段光纤上的传感信息。
本发明实施例提出了一种直接频谱减法方法，通过减去未发生频谱偏移的点，这样可以有效地降低计算复杂度。与传统的洛伦兹拟合算法相比，这种方法可以将未发生频谱偏移也就是应力和温度等没有改变的点去除，可以只提取到发生频谱偏移的点，大大降低了后续对数据处理的工作量。根据模拟发现，当仅有10％的光纤发生频率偏移时，利用本方法可以将目前的处理速度提高20倍至55倍。
本发明实施例使用的一种测量布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的装置结构如图2所示，该装置被称为BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analyzer，分布式布里渊光时域分析仪)。其包括如下的处理过程：将同一个激光器的输出光分成两束，一束光经调制器件和脉冲信号发生器调制成用作BOTDA的泵浦光；另一束光经调制器件调制为BOTDA的信号光。
将所述泵浦光和所述信号光分别从被测试的BOTDA中的传感光纤的两端注入，所述泵浦光和所述信号光在传感光纤中相向传输，由泵浦光和连续信号光产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了BOTDA的传感信息；
所述BOTDA的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到包含了布里渊光纤分布式传感系统发出的包含传感信息的发射光。
本发明实施例使用的另一种测量布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的装置结构如图3所示，该装置被称为BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，分布式布里渊光时域反射计)。其包括如下的处理过程：
激光器发出的一束脉冲光作为BOTDR系统的信号光，将信号光从被测试的BOTDR中的传感光纤的一端入射，信号光背向布里渊散射光沿传感光纤原路返回到脉冲光的入射端。入射光与光纤中的声学声子相互作用产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了布里渊光纤分布式传感系统的传感信息，经过一系列信号处理可以得到光纤沿线各点的布里渊散射光的布里渊频移。
所述BOTDR的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到包含了BOTDR发出的包含传感信息的发射光。
本发明实施例提供的一种利用相减谱获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的实现原理图如图4所示，通过所述光接收设备两次采集所述反射光，通过信号处理单元分别得到反射光中携带的布里渊光纤分布式传感系统的布里渊传感信息的参考谱、测量谱。测量谱为进行分布式传感测量时的谱，参考谱为初始状态(光纤上无温度变化、未受到应力时)时的谱。
通过信号处理单元将测量谱减去参考谱，即可得到相减谱。然后，信号处理单元利用相关的技术或算法对相减谱进行处理，获得包含传感信息的频移区段。例如，信号处理单元通过以下的两种方法对相减谱进行处理，获得包含传感信息的频移区段：
方法a)、选取合适的频谱阈值T，利用频谱阈值T对相减谱进行处理。该频谱阈值T可以根据布里渊光纤分布式传感系统的噪声、信号光的噪声、信号光的信噪比和/或泵浦光的信噪比而设定。在理想条件下无噪声干扰，频谱阈值选取为零；利用频谱阈值T从含噪的相减谱中提取出包含传感信息的频移区段，将噪声区段和包含传感信息的频移区段分开，获取相减谱的陡变边缘。比如，将峰值大于频谱阈值T的部分划分为包含传感信息的频移区段。
假设噪声功率沿着光纤是恒定的，本例中，根据信噪比和检测精度需求，频谱阈值T定义为频谱的无光信号区段的噪声方差的2倍。
方法b)、边缘提取算法(包括Canny算法、LoG算法、Sobel算法、Prewitt算法等)直接检测相减谱的边缘。通过对相减谱进行边缘提取计算，获取相减谱的边缘曲线所在的位置，根据所述边缘曲线所在的位置从含噪的相减谱中提取出包含传感信息的频移区段。
利用上述的频谱阈值或边缘提取算法获取包含传感信息的频移区段后，信号处理单元分析所述包含传感信息的频移区段并提取传感信息。可有两种方法进行分析：
方法a)、信号处理单元利用包含传感信息的频移区段中各点曲线的峰值和谷值与原所述反射光的布里渊频移的关系，计算出包含传感信息的频移区段中各点曲线的布里渊频移，获得布里渊光纤分布式传感系统的频谱区段的应变和温度信息。
直接根据相减谱的相关参数计算出相减谱中各点曲线的布里渊频移Δv，其表达式如下：
上式中ΔvPD为感应点相减曲线的峰值和谷值的频率差，ΔvB为布里渊峰的半高全宽值FWHM，这两个值均可直接由相减谱的频谱图中获得。
方法b)、信号处理单元可以利用拟合方法对包含传感信息的频移区段进行拟合，获得所述布里渊光纤分布式传感系统的频移区段的应变和温度信息。拟合方法包括最小二乘法、L-M法、高斯牛顿法等。
这样可省去传统方法中对无频移区段的拟合，进而降低的拟合点的数量，减少布里渊信号处理耗，极大地降低拟合过程的算法复杂度，可快速高效的获得布里渊光纤分布式传感系统的所有传感信息。
本领域技术人员应能理解上述对相减谱进行处理获得含传感信息的频移区段的应用方法仅为举例，其他现有的或今后可能出现的对相减谱进行处理获得含传感信息的频移区段的应用方法如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
信号光中的布里渊频移信息包括测量谱和原始谱。要获得布里渊频率沿光纤的位移，就是要找出原始的不变频谱和应变、温度变化频谱之间的差异。通常的技术手段是通过对整段光纤各点全部分别进行拟合获取频移信息，如果在进行拟合之前进行频谱相减，则差分动作有助于区分频谱的偏移部分与未改变的部分。通过相减，受激布里渊频谱的大部分(即，无频移部分)被去除，剩下的频谱部分，如图5c所示，它是从频谱图5b中减去频谱图5a的，图5a是原始频谱(参考谱，即未发生布里渊频移时)，图5b为在10km长的光纤中的8.5～9.5km范围内由于温度和应力的改变发生了40MHz的频移(测量谱，即携带传感信息时)。可以发现在频谱图5c中，能够很有效的关注到发生频谱偏移的部分，而大多数频谱未发生改变则通过减法去掉，不需要进行处理，提高了处理效率，降低了处理时间。
综上所述，本发明实施例提出的方法通过将布里渊频谱中的测量谱减去原始谱，与传统的直接拟合的算法相比，该方法可以将未发生频谱偏移也就是应力和温度等没有改变的点去除，这样可以只提取到发生频谱偏移的区段，即可不处理不携带传感信息的光纤段，而仅仅处理携带传感信息的光纤段，从而大大减小工作量、降低拟合的次数、减少信息处理时间。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种获取布里渊光纤分布式传感系统的传感信息的方法，其特征在于，包括：
将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光；
通过所述光接收设备两次采集所述反射光，通过信号处理单元分别得到所述反射光中携带的布里渊传感信息的参考谱和测量谱，将所述测量谱减去所述参考谱，得到相减谱；
利用频谱阈值或边缘提取算法对所述相减谱进行分析，获取所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域，分析所述谱块区域并提取传感信息；
所述利用频谱阈值对所述相减谱进行分析包括：所述信号处理单元选取频谱阈值T，利用频谱阈值T从含噪的相减谱中提取出包含传感信息的频移区段，将噪声区段和包含传感信息的频移区段分开；
所述利用边缘提取算法对所述相减谱进行分析包括：所述信号处理单元通过对相减谱进行边缘提取计算，获取相减谱的边缘曲线所在的位置，根据所述边缘曲线所在的位置获得所述布里渊光纤分布式传感系统中携带传感信息的谱块区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤之前包括：
将同一个激光器的输出光分成两束，一束光经调制器件和脉冲信号发生器调制成布里渊光纤分布式传感系统的泵浦光；另一束光经调制器件调制成布里渊光纤分布式传感系统的信号光。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤之前还包括：
激光器发出的一束脉冲光作为布里渊光纤分布式传感系统的泵浦光，自布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤的一端入射。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光，包括：
将所述泵浦光和所述信号光分别从被测试的布里渊光纤分布式传感系统中的传感光纤的两端注入，所述泵浦光和所述信号光在传感光纤中相向传输，所述信号光产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了布里渊光纤分布式传感系统的传感信息；
所述布里渊光纤分布式传感系统的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到所述布里渊光纤分布式传感系统发出的包含传感信息的发射光。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的将信号光注入到布里渊光纤分布式传感系统的传感光纤，通过光接收设备采集所述布里渊光纤分布式传感系统发出的反射光，包括：
将信号光从被测试的布里渊光纤分布式传感系统中的传感光纤的一端入射，所述信号光背向布里渊散射光沿传感光纤原路返回到脉冲光的入射端，所述信号光与光纤中的声学声子相互作用产生了布里渊频移，该布里渊频移携带了布里渊光纤分布式传感系统的传感信息；
所述布里渊光纤分布式传感系统的输出光经过滤波器处理后传输到光接收设备和信号处理单元，所述光接收设备采集到所述布里渊光纤分布式传感系统发出的包含传感信息的发射光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频谱阈值T根据所述布里渊光纤分布式传感系统的噪声、信号光的噪声、信号光的信噪比和/或泵浦光的信噪比设定。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述的分析所述谱块区域并提取传感信息，包括：
所述信号处理单元利用拟合方法对所述包含传感信息的频移区段进行拟合，获得所述布里渊光纤分布式传感系统的频移区段的应变和温度信息。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述的分析所述谱块区域并提取传感信息，包括：
所述信号处理单元利用所述包含传感信息的频移区段中各点曲线的峰值和谷值与原所述反射光的布里渊频移的关系，计算出所述包含传感信息的频移区段中各点曲线的布里渊频移，获得所述布里渊光纤分布式传感系统的频谱区段的应变和温度信息。
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