CN108507663B - 基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及方法，包括窄线宽激光源(1)、保偏光纤隔离器(2)、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)、X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)、Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)、电光调制器偏压控制板(6)、1×2保偏光纤耦合器(7)、光纤偏振分束器(8)、第一掺铒光纤放大器(9)、第一光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、第二掺铒光纤放大器(13)、第二光纤滤波器(14)、四路输出型90°光混合器(15)、平衡光电探测器(16)、数据采集卡(17)以及处理单元(18)。本发明融合时域反射和频域反射的优点，不受电磁干扰、电无源，可实现大动态范围、高空间分辨率的分布式声传感。

Description

基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤声音传感测量技术领域，特别是涉及一种基于数字双偏振双边带调制的分布式声传感装置及测量方法。

背景技术

近年来随着光纤传感技术的发展，光纤声音传感测量成为主要研究领域之一。在长距离野外传输管线的安全监测、海洋地质和海洋石油勘探、航空飞机气动噪声源探测等领域具有广泛的应用需求。

声波检测技术是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的探测、识别和定位。现有传声器阵列大多采用电学麦克风进行构建，分立式结构的电子传感器需要严格的同步采集要求使传感器阵列规模严重受限，同时在一些特殊的环境，如核磁共振、强电磁干扰或易燃易爆环境中，电子传声器将会失去作用，加之信号衰减会给传感器端的弱电量信号带来不利的影响，在较远距离的条件下将无法使用。

近年国内外研究人员提出分布式光纤振动传感方法，主要包括干涉型探测法、相敏光时域反射法、光频域反射法等。基于声波本质上属于振动信号的原理，上述方法分别存在以下的缺陷：

(1)干涉型探测法，其使用的光源都是连续激光，因此这类方法的弊端是不能对多点振动同时进行探测；

(2)相敏光时域反射法，其单一的探测方式使光脉冲宽度和脉冲能量需要折中考虑，限制了系统的空间分辨率、信噪比和动态范围的同步提升，难以满足真正声波分布传感要求。如2013年T.Zhu等人将双马赫曾德尔干涉结构与phase-OTDR结合，采用调制脉冲实现了测试距离为1km，空间分辨率为5m，响应频率为3MHz的分布式振动传感系统；

(3)基于光频域反射法：其采用扫描激光器作为光源，因此这类传感方法具有高空间分辨率的特点，不过传感距离受限。如2012年Z.Ding通过直接分析空间域的瑞利散射信息，实现测试距离为12km，空间分辨率为5m，最大响应频率为2kHz的分布式振动传感测量。

声波的探测需要采集完整的声波信息，因此声波微弱信号的本质则对探测系统提出更高的灵敏度要求。现有的技术在完整和高保真记录光纤各位置处声波振幅、相位和频率等信息上存在较大不足。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出一种数字双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及测量方法，将时域和频域反射技术的优点融合，为海洋声场环境分析、地震分析国防安全等领域提供了一种大动态范围、高空间分辨率的技术方案，在分布式光纤声传感方面有很好的应用前景。

本发明提出的一种基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置，该传感装置包括窄线宽激光源1、保偏光纤隔离器2、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3、X偏振方向驱动用任意波形发生器4、Y偏振方向驱动用任意波形发生器5、电光调制器偏压控制板6、1×2保偏光纤耦合器7、光纤偏振分束器8、第一掺铒光纤放大器9、第一光纤滤波器10、光纤环行器11、传感光纤12、第二掺铒光纤放大器13、第二光纤滤波器14、四路输出型90°光混合器15、平衡光电探测器16、数据采集卡17以及处理单元18；其中：所述窄线宽激光源1输出端与所述保偏光纤隔离器2的输入端连接；所述保偏光纤隔离器2的输出端与所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3相连接，所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3的输出端与1×2保偏光纤耦合器7的输出端相连接，所述1×2保偏光纤耦合器7的输入端分成两路，其中一路连接所述电光调制器偏压控制板6上的光电探测器；另一路与光纤偏振分束器8的输入端相连接，通过所述光纤偏振分束器8将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号，所述1×2保偏光纤耦合器7的输出端，所述光纤偏振分束器8包括两路输出：

其中输出X偏振信号的所述光纤偏振分束器8的一路输出端与所述第一掺铒光纤放大器9的输入端相连接，所述第一掺铒光纤放大器9的输出端与所述第一光纤滤波器10的输入端相连接，所述第一光纤滤波器10的输出端与所述光纤环行器11的输入端相连接，所述光纤环行器11有两路输出：其中一路输出端注入到所述传感光纤12，另一路输出端连接到所述第二掺铒光纤放大器13的输入端，所述第二掺铒光纤放大器13的输出端与所述第二光纤滤波器14的输入端相连接，所述第二光纤滤波器14的输出端与所述四路输出型90°光混合器15的另一路输出端相连接；

而输出Y偏振信号的所述光纤偏振分束器8的另一路输出端输出Y偏振信号与所述四路输出型90°光混合器15的输入端相连接，所述四路输出型90°光混合器15的四路输出端与所述平衡光电探测器16的输入端相连接，所述平衡光电探测器的输出端与所述数据采集卡17、处理单元18相连接，通过数据采集卡17和处理单元18进行接收和数据处理；

由X偏振方向驱动用任意波形发生器4和Y偏振方向驱动用任意波形发生器5分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3。

本发明提出的一种基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感方法，该方法具体包括以下流程：

步骤一、窄线宽激光源发出光频为ω₀的连续激光经过保偏光纤隔离器后进入双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器；由X偏振方向和Y偏振方向驱动用任意波形发生器分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器进行调制，双边带异构光脉冲数字信号包括在X偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW、上边带频率为ω₀+ω(t)以及在Y偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW-Δω，上边带频率为ω₀+ω(t)；

步骤二、经双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器调制后的双边带异构脉冲光信号通过1×2保偏光纤耦合器7分成两路，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板6，用于实现对X和Y偏振方向调制后的双边带异构脉冲光信号进行抽取反馈；另外一路通过光纤偏振分束器将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号先后经过第一掺铒光纤放大器9放大、第一光纤滤波器10和光纤环行器11后被注入传感光纤12中；

步骤三、双边带异构脉冲光信号在途经的光纤中发生后向瑞利散射，后向散射双边带异构脉冲光沿传感光纤12返回解调光路；包含相位信息为φ(t)、频率为ω₀-ω_CW的固定频率光和包含光频信息为I(ω)、频率为ω₀+ω(t)的线性扫频光的后向散射双边带异构脉冲光经第二掺铒光纤放大器13和第二光纤滤波器14后与Y偏振方向的固定频率为ω₀-ω_CW-Δω，线性扫频频率为ω₀+ω(t)的双边带异构脉冲光信号在四路输出型90°光混合器15中进行混合干涉；在X偏振方向输出的信号XI和XQ分别为I_Xcos(ωt+φ)和I_Xsin(ωt+φ)，在Y偏振方向输出的信号YI和YQ分别为I_Ycos(ωt+φ)和I_Ysin(ωt+φ)；干涉后的光信号由带宽小于(ω₁+ω_CW)的平衡光电探测器转化为电信号后，通过数据采集卡和处理单元进行接收和数据处理；

步骤四、将调制在固定频率ω_CW上用于解调相位信息的φ(t)和调制在线性扫频上用于解调光频信息的I(ω)进行分离；对每一个固定频率为ω_CW的后向散射光脉冲和固定频率为ω_CW+Δω的参考光脉冲干涉后的信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；采用四路输出90°光混合器15，对X偏振方向和Y偏振方向的I、Q信号分别进行微分、相乘运算，得到X和Y偏振方向的

和

两个偏振方向上的两式各自相减，分别得到

和

将其相加得到φ′(t)I²，再除以四路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)，最后进行积分得到所需相位信息φ(t)；提取传感光纤各处由声波引起的相位变化信息，通过相位解调算法，可实现声源位置、频率和幅度等信息的初步探测，空间分辨率的表达式为T为光脉冲的宽度；再对扫频频率同为ω(t)的后向散射光脉冲和参考光脉冲的干涉信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；根据混频后的频率差和线性扫频斜率可精确地获得声源的位置信息。

与现有技术相比，本发明融合时域反射技术和频域反射技术的优点，具有不受电磁干扰、电无源等优点，还可实现大动态范围、高空间分辨率的分布式声传感；同时修正声源频率、幅度等扰动信息。

附图说明

图1是本发明中一种数字双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置示意图；

图2是本发明中探测双边带异构脉冲光信号和参考双边带异构脉冲光信号的调制结果示意图；

图3是本发明中后向散射双边带异构脉冲光和参考双边带异构脉冲光进行干涉后的频域示意图。

图中，1、窄线宽激光源，2、保偏光纤隔离器，3、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器，4、X偏振方向驱动用任意波形发生器，5、Y偏振方向驱动用任意波形发生器，6、电光调制器偏压控制板，7、1×2保偏光纤耦合器，8、光纤偏振分束器，9、第一掺铒光纤放大器，10、第一光纤滤波器，11、光纤环行器，12、传感光纤，13、第二掺铒光纤放大器，14、第二光纤滤波器，15、四路输出型90°光混合器，16、平衡光电探测器，17、数据采集卡，18、处理单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

实施例1：基于数字双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置

如图1所示，窄线宽激光源1发出光频为ω₀的连续激光，经过保偏光纤隔离器2后进入双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3。由X偏振方向和Y偏振方向驱动用任意波形发生器4、5分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器进行调制，在X偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW(ω_CW为固定频率)，上边带频率为ω₀+ω(t)(ω(t)表示同一个光脉冲内获得的线性扫频信号频率，简称扫频频率)，在脉冲内具有线性扫频的特点。在Y偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW-Δω(Δω表示X偏振方向与Y偏振方向产生的固定频率差值)和上边带频率为ω₀+ω(t)。经双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器调制后的双边带异构脉冲光信号通过1×2保偏光纤耦合器7分成两路，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板6上的光电探测器，用于实现对X和Y偏振方向调制后的双边带异构脉冲光信号进行抽取反馈，，确保其长时间保持最佳工作状态。抽取反馈指的是电光调制器偏压控制板6通过嵌入的程序自动监测从7接入的光强度大小来控制电光调制器的工作偏压点，来实现X和Y偏振方向上的双边带异构脉冲光信号的稳定输出。另外一路通过光纤偏振分束器8将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号先后经过第一掺铒光纤放大器9放大、第一光纤滤波器10和光纤环行器11后被注入传感光纤12中，双边带异构脉冲光信号在途经的光纤中发生后向瑞利散射，后向散射双边带异构脉冲光沿光纤返回解调光路。包含相位信息φ(t)频率为ω₀-ω_CW的固定频率光和包含光频信息I(ω)频率为ω₀+ω(t)的线性扫频光的后向散射双边带异构脉冲光经第二掺铒光纤放大器13和第二光纤滤波器14后与Y偏振方向的固定频率为ω₀-ω_CW-Δω，线性扫频频率为ω₀+ω(t)的双边带异构脉冲光信号在四路输出型90°光混合器15中进行混合干涉。在X偏振方向输出的信号XI和XQ分别为I_Xcos(ωt+φ)和I_Xsin(ωt+φ)(φ表示初相位)，在Y偏振方向输出的信号YI和YQ分别为I_Ycos(ωt+φ)和I_Ysin(ωt+φ)。干涉后的光信号由带宽小于(ω₁+ω_CW)的平衡光电探测器16转化为电信号后，通过高速数据采集卡17和处理单元18进行接收和数据处理，所述数据处理具体包括对探测双边带异构脉冲光信号和参考双边带异构脉冲光信号的相干光信号进行解调，提取传感光纤中待测位置的相位、频率和振幅等信息。

实施例2：基于数字双偏振双边带调制的分布式光纤声传感方法

上述基于数字双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置的具体方法如下：

图1中的窄线宽激光源发出光频为ω₀的连续激光经过保偏光纤隔离器后进入双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器。由X偏振方向和Y偏振方向驱动用任意波形发生器分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器进行调制，在X偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW，上边带频率为ω₀+ω(t)，在脉冲内具有线性扫频的特点。在Y偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW-Δω，上边带频率为ω₀+ω(t)。经双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器调制后的双边带异构脉冲光信号通过1×2保偏光纤耦合器分成两路，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对X和Y偏振方向调制后的双边带异构脉冲光信号进行抽取反馈，确保其长时间保持最佳工作状态。另外一路通过光纤偏振分束器将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号先后经过第一掺铒光纤放大器放大、第一光纤滤波器和光纤环行器后被注入传感光纤中，双边带异构脉冲光信号在途经的光纤中发生后向瑞利散射，后向散射双边带异构脉冲光沿光纤返回解调光路。包含相位信息φ(t)频率为ω₀-ω_CW的固定频率光和包含光频信息I(ω)频率为ω₀+ω(t)的线性扫频光的后向散射双边带异构脉冲光经第二掺铒光纤放大器和第二光纤滤波器后与Y偏振方向的固定频率为ω₀-ω_CW-Δω，线性扫频频率为ω₀+ω(t)的双边带异构脉冲光信号在四路输出型90°光混合器中进行混合干涉。在X偏振方向输出的信号XI和XQ分别为I_Xcos(ωt+φ)和I_Xsin(ωt+φ)，在Y偏振方向输出的信号YI和YQ分别为I_Ycos(ωt+φ)和I_Ycos(ωt+φ)。干涉后的光信号由带宽小于(ω₁+ω_CW)的平衡光电探测器转化为电信号后，通过高速数据采集卡和处理单元进行接收和数据处理。将调制在固定频率上用于解调相位信息的φ(t)和调制在线性扫频上用于解调光频信息的I(ω)进行分离。对每一个固定频率ω_CW的后向散射光脉冲和固定频率ω_CW+Δω的参考光脉冲干涉后的信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)。采用四路输出90°光混合器，对X偏振方向和Y偏振方向的I、Q信号分别进行微分、相乘运算，得到X和Y偏振方向的

和

两个偏振方向上的两式各自相减，分别得到

和

将其相加得到φ′(t)I²，再除以四路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)，最后进行积分得到所需相位信息φ(t)。假设光脉冲的宽度为T，提取传感光纤各处由声波引起的相位变化信息，通过相位解调算法，可实现声源位置、频率和幅度等信息的初步探测，空间分辨率的表达式为

再对扫频频率同为ω(t)的后向散射光脉冲和参考光脉冲的干涉信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)。根据混频后的频率差和线性扫频斜率可精确地获得声源的位置信息，结合固定频率的初步探测结果，可实现高精度声源探测，同时修正声源频率、幅度等扰动信息。

本发明并不局限于前述的具体步骤。本发明扩展到任何本说明书中披露的新特征或任何新的组合，或新的步骤的组合。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置，其特征在于，该传感装置包括窄线宽激光源(1)、保偏光纤隔离器(2)、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)、X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)、Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)、电光调制器偏压控制板(6)、1×2保偏光纤耦合器(7)、光纤偏振分束器(8)、第一掺铒光纤放大器(9)、第一光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、第二掺铒光纤放大器(13)、第二光纤滤波器(14)、四路输出型90°光混合器(15)、平衡光电探测器(16)、数据采集卡(17)以及处理单元(18)；其中：所述窄线宽激光源(1)输出端与所述保偏光纤隔离器(2)的输入端连接；所述保偏光纤隔离器(2)的输出端与所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)相连接，所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的输出端与1×2保偏光纤耦合器(7)的输出端相连接，所述1×2保偏光纤耦合器(7)的输入端分成两路，其中一路连接所述电光调制器偏压控制板(6)上的光电探测器；另一路与光纤偏振分束器(8)的输入端相连接，通过所述光纤偏振分束器(8)将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号，所述1×2保偏光纤耦合器(7)的输出端，所述光纤偏振分束器(8)包括两路输出：

其中输出X偏振信号的所述光纤偏振分束器(8)的一路输出端与所述第一掺铒光纤放大器(9)的输入端相连接，所述第一掺铒光纤放大器(9)的输出端与所述第一光纤滤波器(10)的输入端相连接，所述第一光纤滤波器(10)的输出端与所述光纤环行器(11)的输入端相连接，所述光纤环行器(11)有两路输出：其中一路输出端注入到所述传感光纤(12)，另一路输出端连接到所述第二掺铒光纤放大器(13)的输入端，所述第二掺铒光纤放大器(13)的输出端与所述第二光纤滤波器(14)的输入端相连接，所述第二光纤滤波器(14)的输出端与所述四路输出型90°光混合器(15)的另一路输出端相连接；

而输出Y偏振信号的所述光纤偏振分束器(8)的另一路输出端输出Y偏振信号与所述四路输出型90°光混合器(15)的输入端相连接，所述四路输出型90°光混合器(15)的四路输出端与所述平衡光电探测器(16)的输入端相连接，所述平衡光电探测器的输出端与所述数据采集卡(17)、处理单元(18)相连接，通过数据采集卡(17)和处理单元(18)进行接收和数据处理；

由X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)和Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)。

2.一种基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感方法，其特征在于，该方法具体包括以下流程：

步骤一、窄线宽激光源(1)发出光频为ω₀的连续激光经过保偏光纤隔离器(2)后进入双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)；由X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)和Y偏振方向驱动(5)用任意波形发生器分别产生上边带为扫频光脉冲、下边带为固定频率的双边带异构光脉冲数字信号，加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)进行调制，双边带异构光脉冲数字信号包括在X偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW、上边带频率为ω₀+ω(t)以及在Y偏振方向产生下边带为固定频率ω₀-ω_CW-Δω，上边带频率为ω₀+ω(t)；其中，ω_CW为固定频率，ω(t)表示同一个光脉冲内获得的线性扫频信号频率；

步骤二、经双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)调制后的双边带异构脉冲光信号通过1×2保偏光纤耦合器(7)分成两路，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板(6)，用于实现对X和Y偏振方向调制后的双边带异构脉冲光信号进行抽取反馈；另外一路通过光纤偏振分束器(8)将双边带异构脉冲光信号分束成X和Y偏振两个方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的双边带异构脉冲光信号先后经过第一掺铒光纤放大器(9)放大、第一光纤滤波器(10)和光纤环行器(11)后被注入传感光纤(12)中；

步骤三、双边带异构脉冲光信号在途经的传感光纤(12)中发生后向瑞利散射，后向散射双边带异构脉冲光沿传感光纤(12)返回解调光路；包含相位信息为φ(t)、频率为ω₀-ω_CW的固定频率光和包含光频信息为I(ω)、频率为ω₀+ω(t)的线性扫频光的后向散射双边带异构脉冲光经第二掺铒光纤放大器(13)和第二光纤滤波器(14)后与Y偏振方向的固定频率为ω₀-ω_CW-Δω，线性扫频频率为ω₀+ω(t)的双边带异构脉冲光信号在四路输出型90°光混合器(15)中进行混合干涉；在X偏振方向输出的信号XI和XQ分别为I_X cos(ωt+φ)和I_X sin(ωt+φ)，在Y偏振方向输出的信号YI和YQ分别为I_Y cos(ωt+φ)和I_Y sin(ωt+φ)；干涉后的光信号由带宽小于(ω₁+ω_CW)的平衡光电探测器转化为电信号后，通过数据采集卡(17)和处理单元(18)进行接收和数据处理；其中，Δω表示X偏振方向与Y偏振方向产生的固定频率差值，φ表示初相位；

步骤四、将调制在固定频率ω_CW上用于解调相位信息的φ(t)和调制在线性扫频上用于解调光频信息的I(ω)进行分离；对每一个固定频率为ω_CW的后向散射光脉冲和固定频率为ω_CW+Δω的参考光脉冲干涉后的信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；采用四路输出90°光混合器(15)，对X偏振方向和Y偏振方向的I、Q信号分别进行微分、相乘运算，得到X和Y偏振方向的

和

两个偏振方向上的两式各自相减，分别得到和

将其相加得到φ′(t)I²，再除以四路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)，最后进行积分得到所需相位信息φ(t)；提取传感光纤各处由声波引起的相位变化信息，通过相位解调算法，可实现声源位置、频率和幅度等信息的初步探测，空间分辨率的表达式为T为光脉冲的宽度；再对扫频频率同为ω(t)的后向散射光脉冲和参考光脉冲的干涉信号进行提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；根据混频后的频率差和线性扫频斜率获得声源的位置信息。

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