CN1088225C - 有源红外报警器 - Google Patents

Abstract

红外侵入信号报警器包括一个发射器(4)、一个接收器(5)和一个具有获取有效信号(Un)装置(14至18)的信号处理电路(2′)。信号处理电路(2′)包括一个一方面接收有效信号(Un)和另一方面与接收器(5)输出端连接的控制器(29)，此控制器输出一个与接收器信号(Ie)叠加的补偿信号(Ik)。补偿信号是这样选择的，使能够把有效信号(Un)补偿到零值，所以能始终保持报警器的最大灵敏度。在一个优选实施例中，在控制器(29)后面连接一个模/数-转换器(26，30)，此转换器一方面把控制器信号数字化，另一方面与一个数/模-转换器(25，32)连接，用于产生一个与当时数字信号值相符的电压。此电压确定补偿信号(Ik)。

Description

有源红外报警器

本发明涉及红外报警器领域，这些报警器是对未经许可进入某个空间的情况进行监视的检测器，并且依此目的对检测器所接收的红外线分析处理。这种类型的报警器分无源式和有源式两种类型。

无源式红外报警器是等待辐射源进入其视场，这种辐射源发射出与周围环境不同的光，也就是说辐射源具有与周围环境不同的温度。无源式红外报警器价格比较便宜，并且目前应用广泛。根据其原理，它只能检测发光目标，因此当被监视目标例如贵重物品用机械的、不可测出的工具移开时，报警器就无能为力。此外，使用无源红外报警器时必须采取措施防止所谓的加遮蔽现象，即不可觉查的改变或者掩蔽报警器的视场。

与无源式不同，有源式红外报警器处理的不是位于其视场内的目标所发出的热辐射，而是它主动照射被监视的空间，并且对其反射的红外线的变化作出反应。因此也能够对“死物”，即不发光的物体的移动进行检测。此外，对它很难进行掩蔽，因为它能觉察到任何物体的接近。但是，有源式红外报警器在灵敏度、和报警可靠性方面还存在某些问题，因为在反射的红外线上可能叠加上很强的干扰信号，使得很难准确无误地检测物体的移动。

本发明涉及一种有源式红外报警器，用于检测被监视空间内物体的移动。它具有一个向被监视空间发射调制红外线的发射器，一个接收从监视空间反射回红射线的接收器，和一个与接收器相连接的并合有从接收信号中获取有效信号的装置的信号处理电路。

在文献GB-A-2 187 825所述的该类报警器中，信号处理电路合有一个用作同步放大器的运算放大器，此放大器只放大与发送信号同相位的接收信号。这些信号在两个具有不同时间常数的积分器中被积分，其中在无干扰状态下，两个积分器产生的电压相等，两个电压出现差值表示有闯入者。就响应的可靠性而言，这种报警器不能令人满意，因为用两个不同的时间常数对接收信号积分，不能充分保证确实能辩论出被监视空间中目标的每个运动。报警器也不能无失误报警，因为不能排除积分器输出信号之差值是由目标运动之外的其它原因所引起的可能性。

因此本发明要对这种已知的有源式红外报警器在灵敏度、可靠性和抗外界干扰方面加以改进。

为解决提出的任务，本发明的特征在于，信号处理电路具有一个控制器，其一方面可接收有效信号，另一方面又与接收器输出端相连接。此控制器给出一个叠加在接收信号上的补偿信号，而且能调整补偿信号，把有效信号补偿到零值。

把有效信号补偿到零值的优点是总保持最大灵敏度；就是说接收器好象一个能自动平衡的天平。由此直接得出的结论是，也可以把不希望的干扰信号补偿到零。只要此信号与发射的红外光有相同的频率和相位，并且不至于使接收器灵敏度降至最小。其它频率的干扰信号不这样严重，因为可将它们容易地滤掉。

本发明红外报警器的第一个优选实施结构的特征在于，为发射器和接收器装有共用的光学系统。使用共用的光学系统可以大大降低制造费用和减小报警器的尺寸，以及使用较少的电能，还可实现最大作用距离。

本发明红外报警器的第二种优选实施结构的特征在于，信号处理电路具有一个连接在控制器后面的模/数-转换器，在其一个输出端可以得到数字化的控制器信号，其另一个输出端与一个数/模-转换器连接以便产生一个与当时的数字信号值相当的电压，而此电压可用于产生补偿信号。控制器信号模数化的优点是有可能实现比目前更精确和更智能化的信号处理。

这样的信号处理尤其是当模/数-转换器的一个输出端与一个微处理器连接时才有可能，如本发明红外报警器的另一个优选实施结构。使用微处理器一方面可以提高分辨率，而另一方面它创造条件把红外报警器中已有的传感器与第二个根据另外的检测原理工作的传感器相匹配，并把两个传感器的信号结合在一起进行分析。

下面借助附图中示出的实施例进一步阐述本发明，这些图是：

图1本发明红外报警器的示意性截面图；

图2图1的红外报警器信号处理电路第一种实施例方框图；

图3图2电路的另一种结构方案；

图4图1的红外报警器信号处理电路第二个实施例的方框图。

图1示出的有源式红外运动报警器1主要由一个用脉冲红外光照射受监视空间的光发射器S，一个接收由受监视空间反射的红外光的接收器E，一个信号处理和控制电路2和一个电源3。根据图2和图4，光发射器S由一个红外发光二极管(IRED)4组成，接收器E由光电二极管5组成。发射器S、接收器E、电路2和电源3都装在一个机壳6中，此机壳安装在被监视空间的适当位置，例如安装于墙壁上或者屋顶上。

电源3与一个外部电源连接，并且有一个固定电压控制器(末示出)。机壳6在发射器S和接收器E的区域内有一个透射红外光的窗口7。此外，装有一个适当的光学系统8，当然此光学系统不是必须安置在一侧为窗口7和另一侧为发射器S与接收器E之间，而是也可以与窗口7组合在一起。光学系统8可以是一个透镜或者反射镜光学系统。

为发射器S和接收器E设置一个共用的光学系统是很重要的。换句话说，接收器E一点不差的“看着”发射器S正好用红外光照射的被监视空间的区域。从而这种结构有可能在使用相同功耗下达到数倍的作用距离或者在相同的作用距离时大量减少功耗。在发射器S和接收器E之间安装了一个遮光板9，用于防止这两个元件之间直接的光连接。如由图1可以进一步看到，电路2具有一个经信号处理得到的报警信号的报警输出端10。这些报警信号可以驱动安装在报警器1内部的和/或外部的报警显示装置。

根据图2，在红外发光二极管4的前面连接一个第一调制器11，用此调制器使红外发光二极管4发射适当调制的红外光。这种光发射最好是由连续的脉冲和脉冲间隔序列组成，所以被监测的空间是用脉冲红外光照射的。在一定数量的脉冲和脉冲间隔的序列之后，可以加入一个较长时间的预先设定的发射间隔。在这种情况下，被监视空间用断续发射的和由发射间隔中断的脉冲序列或脉冲群照射。其中发射间隔与脉冲序列可以有一个固定的或者一个随时间变化的比例关系。第一调制器11用控制级12控制，此控制级由节拍发生器13获得节拍。控制级12特别是用于确定向红外发光二极管4输送的信号的时间序列和长度。

由红外发光二极管4发射的红外光经光学系统8(见图1)聚光并发送到被监视空间的某一确定区域。由此区域反射的红外光由光学系统8聚光投到光敏二级管5。接收到的红外光由二极管5按一定比例转换成电流(接收器信号)Ie，此电流被输入到连接在二极管5后面的电流/电压转换器14，并由此转换器转换成电压(接收信号)Ue。此外，转换器14还对连续光起到某种形式的滤波器作用，即消除来自阳光和室内照明光线的影响。连续在电流/电压转换器14后面的滤波器15滤除接收信号Ue中不希望有的频率，尤其是借此消除白炽灯、萤光灯和放电灯所引起的干扰。滤波器15的输出端与一个由控制级12以调制红外发光二极管4的节拍所控制的转换器16连接。

经滤波器15极大地消除了干扰的输出信号经转接器16交替地输送给两个积分器17，17′。控制级12对此转接器16是如此控制的，它把脉冲发射期间的接收信号Ue传送给一个积分器，例如传送给积分器17，把脉冲间隔期间的接收信号传送给另一个积分器，例如传送给积分器17′。在可能的脉冲序列或脉冲群之间的发射间隔期间，转接器16保持在平衡位置，不向两个积分器17或17′中的任何一个输送接收信号。转接器16优先由一个被控制的开关组成。

由于转接器16按调制器的节拍控制，积分器17只收到反射的红外发射信号包括发射脉冲期间可能的过滤剩余的干扰信号，积分器17′只得到脉冲间隔期间可能的过滤剩余的干扰信号，所以对两个积分器17和17′的输出信号经简单的计算差值就可以得到反射的红外发射信号。上述计算差值是在两个积分器17、17′后面连接的电路级18中完成的。其输出信号是连续地消除了干扰信号的由被监视空间反射的红外发射信号Un，该信号构成信号处理的有效信号。

只要受监视空间的情况未发生变化，反射的红外发射信号就保持不变。然而如果在受监视空间出现某个目标的运动，不管此时涉及的是生物、机械或者任何一种物体都是一样，那么就会导致反射的红外发射信号相应发生变化。气体物质只有当合有该种物质的空间或局部空间的反射特性发生改变时才影响发射信号。这意味着仅仅是空气运动，例如由加热器上升的热空气将不被报警器检测，因而也不可能引发误报警动作，然而突然出现的蒸汽或烟雾等将改变反射特性，因而将由报警器检出。

有效信号Un一方面传送给控制器19，另一方面传送给两个比较器20和20′。控制器19的输出端与第二个调制器21的一个输入端连接，该调制器的另一个输入端与控制级12连接，而其输出端与电流/电压转换器14的输入端连接，第二个调制器21在光电二极管5的信号上反向叠加补偿电流Ik，其中控制级12确定此补偿电流叠加的时间条件。控制器19调整补偿电流Ik直到电路级18的输出信号，也就是有效信号Un变为零。从而始终保持最大灵敏度。

调整回路可以与一个自平衡天平或者与一个桥式电路做比较，其中有效信号的零值表示静止状态。每一个接收到的红外信号包括不希望的背景信号都被补偿至零。只有这样发射器S和接收器E(见图1)才可能使用同一个光学系统8。因为从发射器一侧由透镜、反射镜、和/或红外窗口所引入的反射可以通过调整回路消除，这种反射一般超过在受监视空间可能目标的反射信号若干数量级。报警器视场中强反射目标对灵敏度不会造成坏影响，而是反射信号被补偿掉，同时保持最大灵敏度。

比较器20和20′用于信号处理。它们把有效信号Un与一个上限值(比较器20)和一个下限值(比较器20′)进行比较，并且在超过其上限或下限时向报警输出端10输出一个报警信号。尽管有上述对有效信号的补偿，仍然可以完成这种信号处理，因为由于整个调整过程很慢，即使非常小心和缓慢的对受监视空间的闯入也不能立即把光电二极管与接收的红外信号补偿到零，所以给两个比较器20、20′保留了足够的检测时间。

因为由不十分完善的光学系统8或窗口9(见图1)所引入的干扰反射相当大，控制器19必须补偿整个反射的绝大部分，一般超过90％的数值，其中干扰反射包括一个由光学系统和窗口的几何结构和材料所决定的固定值。把此固定值用一个附加的固定补偿电流Ik′进行补偿应该是值得的，因此在总反射中应由控制器19补偿的数值会大大下降，从而会使分辨率显著提高。在这种情况下，控制器19除承担补偿来自受监视空间的反射外，还要承担补偿由产品的容差和/或红外发光二极管4的样品分散性所引入的偏差。如图2所示，为了产生补偿电流Ik′，设置了一个同样由控制级12控制的第三个调制器22，此调制器或者调到补偿电流Ik′的固定值或者如图所示其结构具可调性。在后一种情况下，可以调整补偿电流Ik′，使其不仅可补偿所述干扰反射，也可以补偿由红外发光二极管4所引起的偏差。

控制器19有近似对数的特性。如果为了补偿有效信号的一小的变化，它需要某个时间t，那么补偿一个十倍于此变化的量只需两倍的时间2t。这种特性在开启报警时非常有利，因为此时有效信号的变化量是100％，而为了补偿并不需要花很多时间。

在报警输出端10的报警信号可以被进一步处理，例如检验其可信度，这种检验可以在报警器中或者在一个接近中心进行，或者把此信号不经进一步处理直接传给控制中心，并随后引发报警。报警信号可以附带驱动或者选择驱动报警器中安装的发光二极管23。此外根据显示的要求设置一个继电器24，其接触使报警信号的无电位处理成为可能。经分别对两个比较器20和20′输出信号符号的检验，也就是对反射的正和负改变的处理，可以确定监视空间中目标运动的方向是向着报警器还是离开报警器。

在图3中示出了消除或者补偿不希望的反射的另一种可能性。在这种结构中，不需要第三个调制器22(见图2)，而是由构成真正的运动检测器的光电二极管5反极性地与另一个具有优选相同参数的光电二极管5′并连连接。此处二极管安装的几何位置是这样选择的，把光电二极管5安置在光学系统8(见图1)的焦点，而第二个光电二极管5′安置在这个焦点之外。因此光电二极管5接收由受监视空间反射的光加上可能的干扰反射光，而第二个光电二极管5′只接收干扰反射光。因此两个光电二极管5和5′的光电流之差相当于受监视空间的被搜索信号，在此信号上还可能叠加有如阳光或室内照明的干扰信号。

在使用两个相同的光电二极管5和5′时，就共同的接收信号而言，光接收灵敏度的温度附加值得到相互补偿。此外，所有作用在两个二极管上的影响因素或电压干扰源都不会起作用。这类影响因素或干扰主要是红外发光二极管各管间的分散性和温度漂移及有关机械部件各件之间的分散性和反射常数随时间的变化，如着色的变化和表面结构的改变。因此留给控制器19和第二个调制器21的只还有补偿由监视空间反射的红外信号，而约95％的总反射和光电流由第二个光电二极管5′所补偿。从而可以使控制器19的负担减少到约±5％，借此可以把有效信号Un的分辨率提高大约10倍，对于定值比较器20、20′这相当于大约十倍的响应灵敏度。

上述所述的对报警信号可信度的检验，此种检验应该是为尽可能完全消除误报警提供可能，在所谓的双重报警器中特别容易实现，这种双重报警器是具有两个按不同的原理工作的传感器的报警器。已知的这类无源式双重红外运动报警器把无源式红外线与超声波或微波报警相结合。在本发明的有源式红外运动报警器中可以想象一种有源/无源红外的组合。之所以优选采用这种组合而不是众所周知的红外光/超声波和红外光/微波的组合，是因为红外光与可见光有完全相同的性能，因此可以使用关于可见光的众所周知的光学方法予以处理。最后提到的红外光的这种优良特性尤其是在用红外窗帘保护容易穿透的表面时特别重要，例如保护美术馆或博物馆中的绘画和雕塑或者保护整个窗口区。

在图4中示出的信号处理电路2′与图2的信号处理电路2的主要区别在于使用了另一种控制器，并且把控制器信号进行了模/数转换，从而可用于数字式信号处理。根据图示，在此实施例中，第一调制器11的控制用一个程序控制级26完成，此控制级还具有一个计数器27。程序控制级26由节拍发生器13获得节拍，并且确定向红外发光二极管4输送信号的时间序列和长度。用符号28表示用于补偿合有红外发光二极管4和光电管5调整回路温度变化的一个属于第一调制器11的温度敏感元件。

直到连接在两个积分器17和17′后面的电路级18，信号处理进行的与在图2中示出的信号处理电路中进行的相似。电路级18的输出信号(此信号构成了信号处理的有效信号)被输送给控制器29，此控制器最好是一个所谓的PID-控制器，也就是一个具有比例积分和微分部分的控制器。并由此积分器到达一个电压/脉冲宽度转换器30。此转换器由控制器29的模拟输出信号产生一个脉冲信号，在此信号中脉冲加脉冲间隔之和是常数，而脉冲宽度(持续时间)与控制器29的信号成比例。转换器30的脉冲信号到达程序控制级26，其计数器27对此信号脉冲的各个脉冲宽度的时钟节拍进行计数。由于脉冲宽度与控制器29的输出信号之间的比例关系，由计数器27求得的每个脉冲宽度的时钟节拍数量表示了PID-控制器29模拟输出信号的数字变换。

在电压/脉冲宽度转换器30输出端得到的脉冲宽度只是在很少的情况下正好是时钟脉冲的整倍数，并且可以准确到接近±1d(d＝最小信息单位)。脉冲加脉冲间隔的恒定长度是由程序控制级26确定的，并且在时钟频率为4MHz和使用12比特计数器时约为1ms。从而每秒钟有最大为12比特的1000个结果，即4096个信息可供使用，精度为±1d加上转换器30的可能误差。

因为输送给PID-控制器29的信号的微分部分可导致数字信号某种程序的不稳定性，建议把此信号部分输送给一个微分-控制器31。在此可以采取把微分部分分配给两个控制器29和31的办法或者把整个的微分部分输送给微分-控制器31或者也可以把微分-控制器去掉，只使用PID-控制器29。选择其中的那一种解决办法，主要看一方面是所需费用，而另一方面是灵敏度和可靠性之间的关系。需要着重指出的是所有三种解决方法全是有效的，并且提供了满意的结果。

由计数器27求得的时钟节拍值从程序控制级26到达脉宽/电压—转换器32，在此转换器中参照一个由基准电压源25得到的基准电压组成一个与当时计数器值相符的电压，此电压决定补偿电流Ik。此处可以毫无困难地达到精度±0.001％，所以补偿电流完全与计数器27的状态相符。微分-控制器31的输出端同样与脉冲宽度/电压转换器32连接，并且把有效信号Un的较高频部分输送给此转换器。转换器32的输出端与第二个调制器21(见图2)的输入端之一连接，其第二个输入端与程序控制级26连接和其输出端与电流/电压转换器14连接。

第二个调制器21把补偿电流Ik反相叠加到光电二极管5的信号上，其中这种叠加的时间条件由程序控制级26确定。PID-控制器29改变其输出信号从而改变脉冲/脉冲间隔之比，使电路级18的输出信号，也就是有效信号Un变为零。因此计数器27的状态，在上述可能的±1d误差范围内，与被监控空间的红外反射信号相符。

虽然这种误差实际上可能并不重要，人们还是可以由大量分散值求平均值来进一步提高精度。这种求平均值例如可以用计数器27或者用连接在程序控制级26后面的微处理器33完成。用此微处理器可以对在程序控制级26中以数字形式存在的红外信号更精确的和更有智能化的进行处理，这样可以导致更高的分辨率，从而导致更高的检测可靠性和进一步保证减少误报警。此外微处理器在一个所谓的双重报警器中可以容易地把已述测量原理与另一个检测器合理地结合在一起。微处理器33把作为处理结果得到的报警信号送至报警输出端10，此处理器可以检验报警信号的可信度，并且从而减轻中心的负担。

上述的信号处理电路具有与桥式电路可比较的调整回路，在这种回路中有效信号的零值表示静止状态，这种信号处理电路提供了一系列优点：

—使用此补偿电路可大大抑制靠近报警器的强反光目标的影响，从而始终能辨识背景光，使强反射目标被补偿，而最大灵敏度保持不变。

—此补偿电路使应用共同的发射/接收光学系统成为可能。因为在发射一侧由透镜、反光镜和/或由红外窗口所引起的反射将被调整回路消除，该种反射一般要超过受监视空间内可能的目标的反射信号几个数量级。

—信号的数字化为掌握红外光的绝对值提供了可能，并从而有可能实现真实的临场检测，并且为应用微处理器及其所有优点成为可能。

—掌握红外光的绝对值为确定其符号成为可能，也就是确实反射的变化是正的还是负的，并且从而确定目标的运动是向着报警器还是离开报警器。

—所建议的模/数—转换器比任何购买的同样分辨率的模/数转换器廉价得多。

Claims (21)

1.检测被监视空间中目标运动的有源式红外报警器，具有一个向被监视空间发射调制红外线的发射器，一个接收由被监视空间反射的红外线的接收器，和一个与接收器连接并含有提取有效信号装置的信号处理电路，其特征在于，信号处理电路(2，2’)具有一个一方面接收有效信号(Un)和另一方面与接收器(5)的输出端连接的并能给出与接收器信号(Ie)叠加补偿信号(Ik)的控制器(19，29)，并且选择补偿信号直到把有效信号调整到零值。

2.根据权利要求1的红外报警器，其特征在于，为发射器(S、4)和接收器(E、5)设置一个共用的光学系统(8)。

3.根据权利要求2的红外报警器，其特征在于，信号处理电路(2、2’)具有一个与控制级(12、26)连接的，用于脉冲状调制发射器(S、4)发射信号的第一调制器(11)，一个与控制级连接的受控转接器(16)，两个连接在转接器后面的积分器(17，17’)和一个对积分器输出信号求差值的装置(18)。

4.根据权利要求3的红外报警器，其特征在于，按发射信号的调制节拍，把接收信号(Ue)经转接器(16)传送给积分器(17、17’)，在其中一个积分器(17)中完成对脉冲期间接收信号的积分，在另一个积分器(17’)中完成对脉冲间隔期间接收信号的积分。

5.根据权利要求4的红外报警器，其特征在于，为了求差值，在上述的对积分器输出信号求差值的装置(18)后面至少连接一个比较器(20、20’)，在比较器中把有效信号(Un)与至少一个临界值进行比较。

6.根据权利要求5的红外报警器，其特征在于，设置两个比较器(20、20’)，在比较器中有效信号(Un)与一个上限值或一个下限值进行比较。

7.根据权利要求6的红外报警器，其特征在于，为了确定被监视空间检测目标的运动方向，对两个比较器(20，20’)输出信号的正负符号进行检查。

8.根据权利要求3至7之一的红外报警器，其特征在于，在控制器(19)后面连接第二个由控制级(12)控制的调制器(21)，此调制器把补偿信号(Ik)反相叠加在接收器信号(Ie)上。

9.根据权利要求8的红外报警器，其特征在于，控制器(19)具有近似对数调整特性。

10.根据权利要求8的红外报警器，其特征在于，第三个具有可调结构的调制器(22)，产生一个附加补偿信号(Ik’)，补偿由光学系统(8)或者由报警器(1)的透射红外光窗口(7)所引起的反射。

11.根据权利要求8的红外报警器，其特征在于，第二个二极管(5’)与组成接收器(E)的第一个二极管(5)逆相并联，并具有相同的参数，这两个二极管的光电流之差构成接收器信号(Ie)。

12.根据权利要求11的红外报警器，其特征在于，第一个二极管(5)接收由监视空间反射的红外光和可能由光学系统(8)或由报警器(1)透射红外光窗口(7)反射的干扰光，而第二个二极管(5’)只接收上述干扰光。

13.根据权利要求12的红外报警器，其特征在于，第一个二极管(5)安装在共同的光学系统(8)的焦点处，而第二个二极管(5’)安装在此焦点之外。

14.根据权利要求1至4之一的红外报警器，其特征在于，信号处理电路(2’)具有一个连接在控制器(29)后面的模/数-转换器(26，30)，在其一个输出端可以得到数字化控制器信号，其另一输出端与一个数/模-转换器(25，32)连接，用于产生一个与当时的数字信号值相当的电压，而且用此电压产生补偿信号(Ik)。

15.根据权利要求14的红外报警器，其特征在于，模/数-转换器(26，30)的一个输出端与一个微处理器(33)连接。

16.根据权利要求15的红外报警器，其特征在于，接收有效信号(Un)的控制器(29)是一个PID-控制器。

17.根据权利要求14的红外报警器，其特征在于，模/数-转换器是由一个把控制器信号转换成脉冲状信号的信号转换器(30)，和由一个可获得与各脉冲大小相符数字值的连接在信号转换器后面的电路级(26)所组成。

18.根据权利要求17的红外报警器，其特征在于，信号转换器(30)由一个电压/脉冲宽度-转换器所组成，此转换器由控制器模拟输出信号产生一个脉冲状信号，其中脉冲宽度与脉冲间隔之和是一个常量，而且脉冲宽度与控制器信号成正比。

19.根据权利要求18的红外报警器，其特征在于，连接在信号转换器(30)后面的电路级(26)具有一个计数器(27)和一个节拍发生器(13)，其中计数器对与各信号脉冲的宽度相当的节拍脉冲数进行计数。

20.根据权利要求19的红外报警器，其特征在于，数/模-转换器由一个与基准电压源(25)连接的脉冲宽度/电压-转换器(32)所组成，其中把计数器(27)当时的数值转换成电压。

21.根据权利要求20的红外报警器，其特征在于，有效信号(Un)把其微分部分输送给与PID-控制器(29)并联的微分-控制器(31)，和所述微分-控制器的输出端与脉冲宽度/电压-转换器(32)连接。

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