CN109375177A - 一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法 - Google Patents

一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，包括：获取雷达前端处理后的第i帧的目标回波信息；对所述第i帧的目标回波信息进行虚假点迹过滤处理和频道选大处理；根据频道选大后的第i帧的目标回波信息构成第i帧的二维图像并进行目标边缘提取；根据第i帧的二维图像和第i‑1帧的二维图像进行帧间差分处理；根据帧间差分处理后得到第i帧的属于运动目标的目标回波信息和目标边缘提取后第i帧的属于同一目标的目标回波信息进行匹配处理，得到第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息。本发明解决了运动目标实时检测的问题，提高了机场场面监视雷达系统对运动目标的检测精度，为后续的运动目标的凝聚提供可靠的数据。

Description

一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法
技术领域
本发明涉及机场场面监视雷达系统的运动目标实时检测技术领域，尤其是一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，航班量也在飞速增长，对空管系统管制员的指挥和设施设备的维护提出了更高的要求，机场场面监视雷达主要用于监视机场场面的飞机及车辆，利用目标对电磁波的自身辐射或反射特性发现目标，可以使机场塔台管制员对飞机的监视不再受到视线的限制，在黑夜和恶劣气候条件下也能够精确地对机场进行监视，对场面活动的航空器和地勤车辆进行有序的管理。
运动目标检测是为了得到属于同一运动目标的目标回波信息，并估计运动目标参数，在后续的运动目标处理时，以达到提高点迹凝聚精度和航迹跟踪质量的目的。因此，选择最优的目标检测方法，对精确估计运动目标参数至关重要。
传统的利用图形学的目标检测方法，直接进行目标边缘提取，不考虑雷达探测的目标的状态特性，导致目标检测输出中包括静止目标和运动目标的输出。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，解决了运动目标实时检测的问题，提高了机场场面监视雷达系统对运动目标的检测精度，为后续的运动目标的凝聚提供可靠的数据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，包括以下步骤：
S1，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的第i帧的目标回波信息，其中，i表示雷达进行扫描的帧数，i＝1，2，3…；
S2，对所述第i帧的目标回波信息进行虚假点迹过滤处理，得到过滤后的第i帧的目标回波信息；
S3，对过滤后的第i帧的目标回波信息进行频道选大处理，得到频道选大后的第i帧的目标回波信息；
S4，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息构成第i帧的二维图像，并对第i帧的二维图像进行目标边缘提取，提取到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；
S5，根据第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像进行帧间差分处理，即对由本帧的目标回波信息构成的二维图像和由前一帧的目标回波信息构成的二维图像进行帧间差分处理，得到第i帧的属于运动目标的目标回波信息；
其中，i＝1时，不进行帧间差分处理，即对雷达扫描的频道选大后的第1帧的目标回波信息不进行帧间差分处理；
S6，对第i帧的属于运动目标的目标回波信息和第i帧的属于同一目标的目标回波信息进行匹配处理，得到第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息；
S7，依次类推，雷达扫描下一帧的过程中，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的该下一帧的目标回波信息，即i＝i+1，并按照步骤S2-S6的处理方式，得到该下一帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
步骤S1中，所述目标回波信息包括：目标的方位、目标的距离库、目标的多普勒速度频道、目标的时间戳、目标的幅度值；
其中，所述目标的方位为雷达检测到的目标的方位角度；
所述目标的距离库为雷达检测到的目标相对雷达位置的距离所在的距离单元；所述距离单元：将雷达检测距离的范围进行量化，量化的单元即为距离单元；
所述目标的多普勒速度频道为雷达检测到的目标相对雷达的速度所在的速度单元；所述速度单元：将雷达检测速度的范围进行量化，量化的单元即为速度单元；
所述目标的时间戳为雷达接检测到目标的时间；
所述目标的幅度值为雷达检测到的目标的能量值；
所述雷达的前端处理为雷达信号处理。
步骤S2中，所述虚假点迹过滤处理：依次将第i帧的目标回波信息中的目标的幅度值与杂波幅度门限进行比较，若某个目标回波信息中的目标的幅度值小于杂波幅度门限，则将此目标回波信息作为杂波滤除，得到过滤后的第i帧的目标回波信息。
步骤S3中，所述频道选大处理：根据过滤后的第i帧的目标回波信息，对同一距离库的每个多普勒速度频道上的目标回波信息中的目标的幅度值进行比较，找出并保留该距离上目标的幅度值最大的目标回波信息，每个距离库上的目标的幅度值最大的目标回波信息即为频道选大后的第i帧的目标回波信息。
步骤S4中，包括以下具体步骤：
S41，以距离库信息作为二维图像的y轴，以方位信息作为二维图像的x轴，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息，根据目标回波信息中的目标的距离库和目标的方位找出二维图像上的对应的像素点，并将该目标回波信息中的目标的幅度值作为该像素点的像素值，构成第i帧的二维图像；
S42，对第i帧的二维图像上的每个像素点的像素值进行二值化处理得到二值图像；所述二值化处理的具体方法如下：判断像素点的像素值是否大于等于1db，若某个像素点的像素值大于或等于1db时，则将该像素点的像素值直接置为1db；若某个像素点的像素值小于1db时，则将该像素点的像素值直接置为0db；
S43，通过滑窗检测的方式并利用Sobel边缘检测算子对所述二值图像进行边缘检测，得到边缘像素点；
所述边缘检测的具体方法如下：计算待检测像素点Z5的边缘估算值g，g＝|f*Gx|+|f*Gy|，若g大于或等于设定的阈值，则待检测像素点Z5为边缘像素点；
其中，f矩阵为由待检测像素点Z5的像素值和待检测像素点Z5的8个邻域像素点的像素值构成的矩阵；
Gx和Gy分别为Sobel边缘检测算子的两组3×3矩阵；
S44，根据所述边缘像素点得到属于同一目标的像素点，且根据属于同一目标的每个像素点对应的目标回波信息得到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；其中，所述边缘像素点为属于同一目标的轮廓上的像素点，根据属于同一目标的轮廓上的像素点得到属于同一目标的轮廓内的像素点，即根据所述边缘像素点得到属于同一目标的轮廓上以及轮廓内的像素点，即得到属于同一目标的像素点；
若待检测像素点没有8个邻域像素点，即不构成矩阵f时，则不对没有8个邻域像素点的待检测像素点进行边缘检测，且对与该待检测像素点相邻或连续的像素点进行边缘检测，若该待检测像素点没有相邻或连续的像素点，即该待检测像素点为孤立的像素点，则该待检测像素点不为目标的像素点。
步骤S5中，所述帧间差分处理为对第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像做差运算，即去除此相邻的两帧的二维图像之间重叠的区域，并保留此相邻的两帧的二维图像之间未重叠的区域，且此未重叠的区域上的像素点所对应的目标回波信息即为第i帧的属于运动目标的目标回波信息。
步骤S6中，所述匹配处理：第i帧的属于运动目标的目标回波信息位于第i帧的属于某个同一目标的目标回波信息中，将此目标作为运动目标，且属于此同一目标的目标回波信息即为第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
本发明的优点在于：
(1)本发明的虚假点迹过滤处理滤除掉部分干扰目标回波信息，得到过滤后的目标回波信息，以便后续处理。
(2)本发明的频道选大处理降低了目标回波信息的数据量，提高了目标回波信息的质量，提高了目标的提取速度。
(3)本发明的二值化处理提高了检测效率，减少了运算量，减少了由于目标边缘错检导致的目标分裂，减少了由于目标回波信息中幅度值不均匀导致的虚假边缘或双边缘。
(4)本发明利用本帧的目标回波信息和前一帧的目标回波信息进行帧间差分处理，得到属于运动目标的部分目标回波信息，再根据属于运动目标的部分目标回波信息，得到本帧的目标回波信息中的属于同一运动目标的目标回波信息，解决了运动目标实时检测的问题，提高了机场场面监视雷达系统对运动目标的检测精度，为后续的运动目标的凝聚提供可靠的数据。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的第i-1帧的目标回波信息构成二维图像的结果图。
图3为本发明的第i帧的目标回波信息构成二维图像的结果图。
图4为本发明的第i帧的目标回波信息进行边缘提取后的结果图。
图5为本发明的根据第i帧和第i-1帧的二维图像进行帧间差分的结果图。
图6为本发明的第i帧的运动目标检测的结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1所示，一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，包括以下具体步骤：
S1，雷达扫描的第i帧的过程中，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的第i帧的目标回波信息，其中，i表示雷达进行扫描的帧数，i＝1，2，3…；
S2，对所述第i帧的目标回波信息进行虚假点迹过滤处理，得到过滤后的第i帧的目标回波信息；
S3，对过滤后的第i帧的目标回波信息进行频道选大处理，得到频道选大后的第i帧的目标回波信息；
S4，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息构成第i帧的二维图像，并对第i帧的二维图像进行目标边缘提取，提取到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；
判断i是否等于1，即判断所接收的目标回波信息是否为第1帧的目标回波信息，若是，则跳转执行步骤S7；若否，则执行步骤S5；
S5，根据第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像进行帧间差分处理，即对由本帧的目标回波信息构成的二维图像和由前一帧的目标回波信息构成的二维图像进行帧间差分处理，得到第i帧的属于运动目标的目标回波信息；
其中，i＝1时，不进行帧间差分处理，即对雷达扫描的第1帧的频道选大后的目标回波信息不进行帧间差分处理；
S6，对第i帧的属于运动目标的目标回波信息和第i帧的属于同一目标的目标回波信息进行匹配处理，得到第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息；
S7，依次类推，雷达扫描下一帧的过程中，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的该下一帧的目标回波信息，即i＝i+1，并按照步骤S2-S6的处理方式，得到该下一帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
步骤S1中，所述目标回波信息包括：目标的方位、目标的距离库、目标的多普勒速度频道、目标的时间戳、目标的幅度值。
其中，所述目标的方位为雷达检测到的目标的方位角度。
所述目标的距离库为雷达检测到的目标相对雷达位置的距离所在的距离单元；所述距离单元：将雷达检测距离的范围进行量化，量化的单元即为距离单元。
所述目标的多普勒速度频道为雷达检测到的目标相对雷达的速度所在的速度单元；所述速度单元：将雷达检测速度的范围进行量化，量化的单元即为速度单元。
所述目标的时间戳为雷达接检测到目标的时间。
所述目标的幅度值为雷达检测到的目标的能量值，且经雷达前端处理后，若在距离库上目标的幅度值为0db，则视为在该距离库上没有检测到目标的回波信息。
所述雷达前端处理为雷达信息处理，包括：射频放大、本振信号产生、中频放大、混频、多普勒滤波。
本实施例中，机场场面监视雷达扫描的一帧过程中，雷达检测方位的范围为0°～360°，以正北为0°，方位采样间隔为0.5°，将检测方位量化为720个方位；雷达检测距离的范围为0km～10.95km，检测距离为相对雷达位置，距离采样间隔为3.75m，将检测距离量化2920个距离库；雷达检测速度的范围为0km/h～463km/h，将检测速度量化为5个多普勒速度频道；即雷达从0°方位开始，接收0°方位上的2920个距离库上的目标回波信息，然后依次按照0.5°的方位采样间隔，接收下一方位上的2920个距离库上的目标回波信息，且每个距离库上包括5个多普勒速度频道。
步骤S2中，所述虚假点迹过滤处理：依次将第i帧的目标回波信息中的目标的幅度值与杂波幅度门限进行比较，若某个目标回波信息中的目标的幅度值小于杂波幅度门限，则将此目标回波信息作为杂波滤除，得到过滤后的第i帧的目标回波信息。本实施中，杂波幅度门限为30db，且该杂波幅度门限至少能检测出80％目标。
由于同一个目标在相邻的距离库和相邻方位上产生多个检测结果，以及强地物、强杂波、类似目标的弱杂波的影响，导致经雷达前端处理后的目标回波信息中包括干扰目标回波信息；同时由于机场场面监视雷达检的数据量大，导致在后续处理的过程中容易出现数据超载的情况。因此，本发明的虚假点迹过滤处理滤除部分的干扰目标回波信息，得到过滤后的目标回波信息，以便后续处理。
步骤S3中，所述频道选大处理：根据过滤后的第i帧的目标回波信息，对同一距离库的每个多普勒速度频道上的目标回波信息中的目标的幅度值进行比较，找出并保留该距离上目标的幅度值最大的目标回波信息，每个距离库上的目标的幅度值最大的目标回波信息即为频道选大后的第i帧的目标回波信息。
本发明的频道选大处理降低了目标回波信息的数据量，提高了目标回波信息的质量，提高了目标的提取速度。
步骤S4中，具体包括以下步骤：
S41，以距离库信息作为二维图像的y轴，以方位信息作为二维图像的x轴，即以2920个距离库作为二维图像的y轴，以720个方位作为二维图像的x轴，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息，并根据目标回波信息中的目标的距离库和目标的方位找出二维图像上的对应的像素点，将该目标回波信息中的目标的幅度值作为该像素点的像素值，构成第i帧的二维图像。
S42，对第i帧的二维图像上的每个像素点的像素值进行二值化处理得到二值图像。所述二值化处理的具体方法如下：判断像素点的像素值是否大于等于1db，若像素点的像素值大于或等于1db时，则将该像素点的像素值直接置为1db；若像素点的像素值小于1db时，则将该像素点的像素值直接置为0db。
S43，通过滑窗检测的方式并利用Sobel边缘检测算子对所述二值图像上的每个像素点进行边缘检测，得到边缘像素点。
所述边缘检测的具体方法如下：计算待检测像素点Z5的边缘估算值g，g＝|f*Gx|+|f*Gy|，若g大于或等于设定的阈值，本实施例中，所述设定的阈值为1，即若g大于或等于1，则待检测像素点Z5为边缘像素点；
其中，f矩阵为由待检测像素点Z5的像素值和待检测像素点Z5的8个邻域像素点的像素值构成的矩阵；
Gx和Gy分别为Sobel边缘检测算子的两组3×3矩阵；
S44，根据所述边缘像素点得到属于同一目标的像素点，且根据属于同一目标的每个像素点对应的目标回波信息得到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；其中，所述边缘像素点为属于同一目标的轮廓上的像素点，根据属于同一目标的轮廓上的像素点得到属于同一目标的轮廓内的像素点，即根据所述边缘像素点得到属于同一目标的轮廓上以及轮廓内的像素点，即得到属于同一目标的像素点。
根据雷达探测目标的特性，目标和杂波的区别在于，目标在距离上占据一定的连续的距离库数量；目标在多普勒速度频道上占据有有一定的连续的多普勒速度频道数量，而非孤立的单点存在。因此，若待检测像素点没有8个邻域像素点，即不构成矩阵f时，则不对没有8个邻域像素点的待检测像素点进行边缘检测，且对与该待检测像素点相邻且连续的像素点进行边缘检测，若该待检测像素点没有相邻且连续的像素点，则该待检测像素点即为孤立的像素点，且该待检测像素点不为目标的像素点。
由图2、3、5所示，步骤S5中，所述帧间差分处理为对第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像做差运算，即去除此相邻的两帧的二维图像之间重叠的区域，并保留此相邻的两帧的二维图像之间未重叠的区域，且此未重叠的区域上的像素点所对应的目标回波信息即为第i帧的属于运动目标的目标回波信息。
由图4、5、6所示，步骤S6中，所述匹配处理：第i帧的属于运动目标的目标回波信息在第i帧的属于某个同一目标的目标回波信息中，将此目标作为运动目标，且属于此同一目标的目标回波信息即为第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
由图2-图5所示，试验数据为从机场场面监视雷达实时检测的目标回波信息抽取的数据片段，坐标轴x轴表示抽取的64个方位，坐标轴y轴表示抽取的64个距离库。
由图2、3所示，分别为第i-1帧的二维图像和第i帧的二维图像，i>1。由图5所示，对第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像做差运算，即去除此相邻的两帧的二维图像之间重叠的区域，并保留此相邻的两帧的二维图像之间未重叠的区域，且此未重叠的区域上的像素点所对应的目标回波信息即为第i帧的属于运动目标的目标回波信息。
由图4、5所示，图5上的未重叠的区域上的像素点位于图4上的属于某个同一目标的像素点中，因此得出该目标为运动目标，且属于此目标的目标回波信息即为第i帧的属于运动目标的目标回波信息。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的第i帧的目标回波信息，其中，i表示雷达进行扫描的帧数，i＝1，2，3…；
S2，对所述第i帧的目标回波信息进行虚假点迹过滤处理，得到过滤后的第i帧的目标回波信息；
S3，对过滤后的第i帧的目标回波信息进行频道选大处理，得到频道选大后的第i帧的目标回波信息；
S4，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息构成第i帧的二维图像，并对第i帧的二维图像进行目标边缘提取，提取到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；
S5，根据第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像进行帧间差分处理，即对由本帧的目标回波信息构成的二维图像和由前一帧的目标回波信息构成的二维图像进行帧间差分处理，得到第i帧的属于运动目标的目标回波信息；
其中，i＝1时，不进行帧间差分处理，即对雷达扫描的频道选大后的第1帧的目标回波信息不进行帧间差分处理；
S6，对第i帧的属于运动目标的目标回波信息和第i帧的属于同一目标的目标回波信息进行匹配处理，得到第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息；
S7，依次类推，雷达扫描下一帧的过程中，机场场面监视雷达系统获取雷达前端处理后的该下一帧的目标回波信息，即i＝i+1，并按照步骤S2-S6的处理方式，得到该下一帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述目标回波信息包括：目标的方位、目标的距离库、目标的多普勒速度频道、目标的时间戳、目标的幅度值；
其中，所述目标的方位为雷达检测到的目标的方位角度；
所述目标的距离库为雷达检测到的目标相对雷达位置的距离所在的距离单元；所述距离单元：将雷达检测距离的范围进行量化，量化的单元即为距离单元；
所述目标的多普勒速度频道为雷达检测到的目标相对雷达的速度所在的速度单元；所述速度单元：将雷达检测速度的范围进行量化，量化的单元即为速度单元；
所述目标的时间戳为雷达接检测到目标的时间；
所述目标的幅度值为雷达检测到的目标的能量值；
所述雷达的前端处理为雷达信号处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述虚假点迹过滤处理：依次将第i帧的目标回波信息中的目标的幅度值与杂波幅度门限进行比较，若某个目标回波信息中的目标的幅度值小于杂波幅度门限，则将此目标回波信息作为杂波滤除，得到过滤后的第i帧的目标回波信息。
4.根据权利要求2所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S3中，所述频道选大处理：根据过滤后的第i帧的目标回波信息，对同一距离库的每个多普勒速度频道上的目标回波信息中的目标的幅度值进行比较，找出并保留该距离上目标的幅度值最大的目标回波信息，每个距离库上的目标的幅度值最大的目标回波信息即为频道选大后的第i帧的目标回波信息。
5.根据权利要求4所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S4中，包括以下具体步骤：
S41，以距离库信息作为二维图像的y轴，以方位信息作为二维图像的x轴，根据频道选大后的第i帧的目标回波信息，根据目标回波信息中的目标的距离库和目标的方位找出二维图像上的对应的像素点，并将该目标回波信息中的目标的幅度值作为该像素点的像素值，构成第i帧的二维图像；
S42，对第i帧的二维图像上的每个像素点的像素值进行二值化处理得到二值图像；所述二值化处理的具体方法如下：判断像素点的像素值是否大于等于1db，若某个像素点的像素值大于或等于1db时，则将该像素点的像素值直接置为1db；若某个像素点的像素值小于1db时，则将该像素点的像素值直接置为0db；
S43，通过滑窗检测的方式并利用Sobel边缘检测算子对所述二值图像进行边缘检测，得到边缘像素点；
所述边缘检测的具体方法如下：计算待检测像素点Z5的边缘估算值g，g＝|f*Gx|+|f*Gy|，若g大于或等于设定的阈值，则待检测像素点Z5为边缘像素点；
其中，f矩阵为由待检测像素点Z5的像素值和待检测像素点Z5的8个邻域像素点的像素值构成的矩阵；
Gx和Gy分别为Sobel边缘检测算子的两组3×3矩阵；
S44，根据所述边缘像素点得到属于同一目标的像素点，且根据属于同一目标的每个像素点对应的目标回波信息得到第i帧的属于同一目标的目标回波信息；其中，所述边缘像素点为属于同一目标的轮廓上的像素点，根据属于同一目标的轮廓上的像素点得到属于同一目标的轮廓内的像素点，即根据所述边缘像素点得到属于同一目标的轮廓上以及轮廓内的像素点，即得到属于同一目标的像素点；
若待检测像素点没有8个邻域像素点，即不构成矩阵f时，则不对没有8个邻域像素点的待检测像素点进行边缘检测，且对与该待检测像素点相邻或连续的像素点进行边缘检测，若该待检测像素点没有相邻或连续的像素点，即该待检测像素点为孤立的像素点，则该待检测像素点不为目标的像素点。
6.根据权利要求5所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S5中，所述帧间差分处理为对第i帧的二维图像和第i-1帧的二维图像做差运算，即去除此相邻的两帧的二维图像之间重叠的区域，并保留此相邻的两帧的二维图像之间未重叠的区域，且此未重叠的区域上的像素点所对应的目标回波信息即为第i帧的属于运动目标的目标回波信息。
7.根据权利要求6所述的一种用于机场场面监视雷达系统的运动目标检测方法，其特征在于，步骤S6中，所述匹配处理：第i帧的属于运动目标的目标回波信息位于第i帧的属于某个同一目标的目标回波信息中，将此目标作为运动目标，且属于此同一目标的目标回波信息即为第i帧的属于同一运动目标的目标回波信息。
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