CN110662941B - 用于光学距离测量系统的窄带跨阻抗放大器和信令 - Google Patents

用于光学距离测量系统的窄带跨阻抗放大器和信令 Download PDF

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Abstract

一种光学距离测量系统(100)包含发射电路(170)和接收电路(180)。所述发射电路(170)产生第一频带上的窄带强度经调制光发射信号(152)，且朝向目标对象(116)引导所述窄带光发射信号(152)。所述接收电路(180)接收从所述目标对象(116)反射的光(154)，将所述反射光(154)转换为与所述反射光(154)的强度成比例的电流信号(156)，从所述电流信号(156)滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，且将所述经滤波电流信号转换为电压信号。所述第二频带与所述第一频带对应。

Description

用于光学距离测量系统的窄带跨阻抗放大器和信令
背景技术
光检测与测距(LiDAR)是通过从目标反射激光脉冲序列(单个窄脉冲或经调制窄脉冲序列)且分析反射光来测量与目标对象的距离的系统。更具体地，LiDAR系统通常直接地或者通过分析反射光信号与透射光信号之间的相移来确定激光脉冲从激光器行进到目标对象并返回的飞行时间(TOF)。随后可基于TOF确定到目标对象的距离。这些系统可用于许多应用中，例如：地形、地质、地形学、地震学、运输及远程感测。举例来说，在交通中，汽车可包含LiDAR系统以监视车辆与其它对象(例如，另一车辆)之间的距离。并且，举例来说，车辆可以使用由LiDAR系统确定的距离以确定例如另一车辆等其它对象是否太靠近，且自动地施加制动。
发明内容
在至少一个实例中，一种光学距离测量系统包含发射电路和接收电路。发射电路经配置以产生第一频带上的窄带光发射信号且朝向目标对象引导窄带光发射信号。接收电路经配置以接收从目标对象反射的光，将反射光转换为与反射光的强度成比例的电流信号，从电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，且将经滤波电流信号转换为电压信号。所述第二频带与所述第一频带对应。
另一说明性实例是一种光学距离测量接收器，其包含光电二极管、带通网络和跨阻抗放大器(TIA)。光电二极管经配置以在第一频带上接收从目标对象反射的光。光电二极管还经配置以将反射光转换为与反射光的强度成比例的第一电流信号。带通网络经配置以从光电二极管接收第一电流信号，且从第一电流信号滤除第二频带之外的频率以产生第一经滤波电流信号。所述第二频带与所述第一频带对应。所述TIA经配置以从所述带通网络接收所述第一经滤波电流信号且将所述第一经滤波电流信号转换为与所述第一经滤波电流信号对应的第一电压信号。
又一说明性实例是一种用于确定到目标对象的距离的方法。所述方法包含在第一频带上接收从目标对象反射的光。所述方法还包含将反射光转换为与反射光的强度成比例的电流信号。所述方法还包含从电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应。所述方法还包含将经滤波电流信号转换为电压信号。所述方法还包含基于电压信号确定到目标对象的距离。
附图说明
图1示出根据各种实例的说明性光学距离测量系统。
图2示出根据各种实例的说明性光学距离测量接收器。
图3示出根据各种实例的说明性光学距离测量接收器。
图4示出根据各种实例的光学距离测量接收器响应的振幅对频率的说明性图表。
图5示出根据各种实例的用于确定到目标对象的距离的方法的说明性流程图。
具体实施方式
在本说明书中术语“耦合”意味着间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么该连接可能通过直接连接，或通过经过其它装置和连接的间接连接。此外，在此描述中，“基于”的叙述意指“至少部分地基于”。因此，如果X是基于Y，那么X可基于Y和任何数目个其它因数。
例如LiDAR系统等光学距离测量系统可以使用到目标对象的光学信号(即，光信号)和其从目标对象反射回到LiDAR系统(返回信号)的飞行时间(TOF)来确定到各种目标对象的距离。这些系统可使用在许多应用中，包含：地形、地质、地形学、地震学、运输和远程感测。举例来说，在交通中，汽车可包含LiDAR系统以监视车辆与其它对象(例如，另一车辆)之间的距离。举例来说，车辆可以使用由LiDAR系统确定的距离以确定例如另一车辆等其它对象是否太靠近，且自动地施加制动。
常规LiDAR系统包含用于朝向目标对象发射光信号的发射器和用于接收返回信号的接收器。常规LiDAR接收器包含光电二极管(即，检测器)以接收返回信号且将返回信号中的光转换为电流。TIA随后将电流转换为电压，电压可由处理器分析以确定TOF和最终确定到目标对象的距离。为了实现宽光学视场(FoV)LiDAR系统，使用大面积光电二极管接收返回信号中的反射光。此类大面积光电二极管固有地具有高电容。光电二极管的高电容对LiDAR系统的性能具有两个不利影响：(a)限制带宽，和(b)放大TIA的电压噪声。测距性能(即，测距确定的准确性)由两个参数决定：(a)发射/接收波形的斜率，和(b)所接收信号中的噪声。举例来说，
Figure BDA0002288132940000021
其中σt是定时标准偏差，σn是噪声的标准偏差，斜率是接收波形的斜率，且N边缘是发射/接收波形中用于定时估计的边缘的数目。斜率和噪声都受到大面积光电二极管的高电容的不利影响，从而导致测距性能降级。因此，实例实施例包含通过增加发射/接收波形的斜率和/或减少所接收信号中的噪声而提供增加的测距性能的LiDAR系统。
根据各种实例，提供一种光学距离测量系统，其中接收器包含经调谐到高频的窄带通网络。在一些实施例中，此带通网络位于TIA的输入处。所述带通网络经优化以在频带中具有最大信噪比(SNR)。使用噪声整形技术以使得将噪声移动到带外，且因此从所接收信号移除。在一些实施例中，为了完全使用此窄带接收器，在经调谐频率下将透射光信号调制为窄带。此设计实现发射/接收波形的高斜率以及低噪声，从而提供高精度测距性能。
图1示出根据各种实例的说明性光学距离测量系统100。在一些实施例中，光学距离测量系统100是LiDAR系统。如实例图1中所示的光学距离测量系统100包含发射器170、接收器180、光学器件108a和108b，以及目标对象116。发射器包含调制信号产生器102、发射驱动器104和激光二极管106。调制信号产生器102经配置以在第一频带中产生经调制窄带载波信号。因此，调制信号产生器102经配置以产生经调制载波信号。
调制信号产生器102经配置以提供载波信号的相位、频率、振幅和/或位置调制。举例来说，调制信号产生器102在一实施例中经配置以产生单频调信号。在一些实施例中，调制信号产生器102经配置以产生单频调(即，连续波)、具有相位调制的单频调(例如，相移键控)、具有振幅调制的单频调(例如，幅移键控)、具有固定频率的多频调(例如，频移键控)、具有窄带频率范围上的频率调制的信号(例如，线性调频脉冲)，和/或具有窄带脉冲位置调制的信号。
发射驱动器104经配置以驱动(调节电流)激光二极管106，以使得激光二极管106产生与由调制信号产生器102产生的经调制窄带载波信号对应的光学发射信号152(窄带光发射信号)。在一些实施例中，因为由调制信号产生器102产生的信号是经调制窄带载波信号，所以发射驱动器104针对通过激光二极管106的电流的窄带调制而优化。因此，激光二极管106在第一频带上产生窄带光发射信号。因此，举例来说，如果经调制载波信号是单频调信号，那么产生的窄带光发射信号的功率谱密度(PSD)将在所需操作频率(例如，100MHz)处处于峰值。为了增加系统中的带宽，如上文所描述，调制信号产生器102可产生多频调信号。因此，在所需操作频率周围，信号的频率以离散间隔改变，这使其中所产生窄带光发射信号的PSD处于其峰值的频带变宽。虽然图1中示出激光二极管106，但可使用任何类型的光学信号产生器(例如，发光二极管(LED))产生光学发射信号。
光学器件108a经配置以朝向目标对象116引导产生的窄带光发射信号152。举例来说，光学器件108a在一实施例中包含一或多个透镜，所述透镜将光发射信号152聚焦于目标对象116上。光学器件108a可包含用以朝向目标对象116引导产生的窄带光发射信号152的任何类型的光学系统。
光发射信号152作为反射光信号154从目标对象116反射。反射光信号154随后由光学器件108b接收，光学器件108b将反射光信号154聚焦和/或引导到接收器180，且更具体地说引导到光电二极管110上。举例来说，光学器件108b在一实施例中包含一或多个透镜，所述透镜将反射光信号154聚焦在光电二极管110上。光学器件108b可包含用以朝向接收器180引导反射光信号的任何类型的光学系统。
接收器180包含光电二极管110、调谐网络118、TIA 112和处理器114。在一些实施例中，接收器180还包含光电二极管120、调谐网络128和TIA 122。光电二极管110经配置以接收反射光信号154，且将反射光信号154转换为与所接收反射光的强度成比例的电流信号156。调谐网络118经配置以将接收器180调谐到光发射信号152、且因此反射光信号154的谐振频率。调谐网络118在一实施例中可以使用调谐电容器进行调谐和/或通过电感器网络调谐。举例来说，调谐网络118在一实施例中包含带通网络和调谐电容器和/或电感器，从而允许带通网络以电子方式(模拟或数字)可调谐以实现最佳带通滤波器响应。带通网络从电流信号156过滤掉第二频带之外的频率。第二频带对应于发射窄带光发射信号152的第一频带。举例来说，如果窄带光发射信号152的所需操作频率是100MHz，那么第二频带可对应于100MHz所需操作频率(例如，第二频带可为从90MHz到110MHz，所需操作频率是第二频带的中心频率)。因此，仅在第二频带内的电流信号156和电流信号156内的噪声作为经滤波电流信号提供到TIA 112。因此，电流信号156中由接收器180接收的噪声的大部分在信号经分析以确定到目标对象116的距离之前被滤除。
TIA 112经配置以将经滤波电流信号转换为对应于经滤波电流信号的电压信号158。在一些实施例中，调谐网络118(例如，带通网络)和TIA 112经反转以使得TIA 112将电流信号156转换为对应于电流信号的电压信号，且调谐网络118从电压信号滤出在第二频带之外的频率以产生经滤波电压信号。在一些实施例中，调谐网络118集成到TIA 112中。
光电二极管120在一实施例中直接从激光二极管106接收光发射信号152或光发射信号152的一部分，且将光发射信号152转换为电流参考信号166(与直接从激光二极管106接收的光的强度成比例的电流)。调谐网络128(例如，与调谐网络118相似和/或相同的调谐网络)在一实施例中经配置以充当带通网络，且从电流信号166过滤掉第二频带之外的频率。第二频带对应于发射窄带光发射信号152的第一频带。因此，仅在第二频带内的电流信号166和电流信号166内的噪声作为经滤波电流信号提供到TIA 122。因此，电流参考信号166中直接由接收器180接收的噪声的大部分在信号经分析以确定到目标对象116的距离之前被滤除。TIA 122经配置以接收电流参考信号166且将电流参考信号166转换为对应于电流参考信号166的电压信号，所述电压信号表示为电压参考信号168。在一些实施例中，除电流参考信号166在由TIA 122接收之前由调谐网络128滤波之外或作为替代，电压参考信号168在由处理器114接收之前由调谐网络128滤波。在另一实施例中，直接从激光二极管106接收的光发射信号152或光发射信号152的一部分以及反射光信号154两者使用同一路径(例如，光电二极管120、带通网络118、TIA 112)以产生电压信号158和电压参考信号168。
处理器114是具有架构的任何类型的处理器、控制器、微控制器和/或微处理器，所述架构经优化以处理电压信号158和/或电压信号168以确定到目标对象116的TOF和/或距离。举例来说，处理器408可为数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)、例如高级RISC机器(ARM)核心等精简指令集计算(RISC)核心、混合信号处理器(MSP)等。因此，举例来说，处理器118可为经配置以执行计算以确定窄带光发射信号152和反射光154从发射器170行进到接收器180的TOF的微处理器。
举例来说，处理器114在一实施例中基于窄带光发射信号152的直接飞行时间做出TOF的确定。为了做出TOF的直接确定，使用参考信号(即，对应于光发射信号152的电压参考信号168)和所接收信号(即，对应于反射光信号154的电压信号158)执行相关函数。相关函数中的峰对应于所接收反射光信号154的时间延迟(即，TOF)。随后可以估计到目标对象的距离。举例来说，光速是已知的，因此到目标对象116的距离经确定和/或估计为
Figure BDA0002288132940000051
其中d是到目标对象的距离，c是光速，且TOF是飞行时间。将光速乘以TOF减半以考虑光脉冲去往和来自目标对象116的行进。在其它实施例中，对所接收信号(即，对应于反射光信号154的电压信号158)和/或参考信号(即，对应于光发射信号152的电压参考信号168)执行FFT。随后使用频调的相位来估计接收信号中的延迟(即，TOF)。随后可使用上文描述的公式估计距离。
图2示出根据各种实例的说明性光学距离测量接收器180，未示出处理器114。如上文所描述，接收器180包含光电二极管110、调谐网络118和TIA 112。如图2所示的TIA 112包含运算放大器204、反馈电阻器206和反馈电容器208。在图2中示出的实施例中，电阻器206与运算放大器206和电容器208并联连接。当反射光154由光电二极管110接收时，光电二极管110产生与由光电二极管110接收的光的强度成比例的电流信号156。可包含任何类型的带通网络(例如，任何类型的带通滤波器)的调谐网络118对电流信号156进行滤波，以使得从电流信号156滤除在以所需操作频率为中心的频带之外的频率以产生经滤波的电流信号。如图2所示的运算放大器204是差分输入单端输出电子放大器。在一些实施例中，运算放大器204具有相对高阻抗，因此经滤波的电流信号流过电阻器206。因此，示出为电压信号158的输出电压等于经滤波的电流信号乘以电阻器206的值。电容器208为TIA 112提供稳定性。在无调谐网络118充当带通网络(即，在常规配置中)的情况下，TIA 112将充当对电流信号156的低通滤波器而不是如图2所示的带通滤波器。因此，常规配置允许较多噪声通过系统，因此降低测距精度。
图3示出根据各种实例的具有实例带通网络118的说明性光学距离测量接收器180。图3的实例调谐网络118包含与光电二极管110和TIA的输入串联连接的分路电感器302。在一实施例中，分路电感器302针对高频下的窄带信号(即，窄带强度经调制信号)经优化。
在图3中示出的实施例中，分路电感器302位于TIA 112的输入处以匹配输入处的总电容性电抗(即，由光电二极管110提供的基本电容)。电感器302的电感值在一些实施例中是基于并联LC槽电路的谐振频率：
Figure BDA0002288132940000061
其中f是所需操作频率，C是总输入电容，且L是分路电感器302值。在一些实施例中，为了分路电感器302值的更精确确定，使频率窄带的频率中的平均SNR最大化。为了实现SNR优化，在一实施例中，在TIA 112输出处的所有噪声分量在功率域中相加。在每一频率下计算TIA 112的输出处的SNR。在一些实施例中，使用数学工具(例如，MATLAB)优化频率窄带中的平均SNR。在一些实施例中，针对光发射信号152的窄带选择最高操作频率，因为高频提供最快信号上升时间(斜率)且因此提供最佳测距精度。
图4示出根据各种实例的光学距离测量接收器响应的振幅对频率的说明性图表400。在一些实施例中，所需操作频率f0是中心频率，其中频带的上限位于频率f2且频率的下限位于频率f1。如图表400中所示和上文描述，充当带通网络的调谐网络118滤除由频率f1和f2限界的频率窄带之外的频率。因此，在一些实施例中，接收器180仅分析落在由频率f1和f2限界的频率内的所接收信号(包含反射光154和相关联噪声)，且滤除所有其它频率。因此，经滤波的电流信号具有由404所示的带宽(频率f1与f2之间)和由402所示的振幅。因此，通过使用接收器中的带通网络且发射带通网络的频带内的光信号(即，通过变为窄带)，频带中的噪声减少。并且，由于接收器中的谐振网络，信号的频率可以高于宽带系统。因此，窄带信号的斜率增加。因此，如上文结合图1-4所描述的光学距离测量系统能够比常规光学距离测量系统增加测距精度。
图5示出根据各种实例的用于确定到目标对象的距离的方法500的说明性流程图。尽管为了方便起见连续描绘，但是所示出的至少一些动作可以以不同顺序执行和/或并行地执行。并且，一些实施例仅可以执行所示动作中的一些。在一些实施例中，方法500的操作中的至少一些以及本文所描述的其它操作是由发射器170(包含调制信号产生器102、发射驱动器104和/或激光二极管106)和/或接收器180(包含光电二极管110、调谐网络118、TIA112和/或处理器114)执行，且实施于逻辑中和/或通过处理器执行存储于非暂时性计算机可读存储媒体中的指令来实施。
方法500在框502中以产生经调制窄带载波信号开始。举例来说，调制信号产生器102产生第一频带中的窄带载波信号且调制窄带载波信号。在一些实施例中，窄带载波信号是在20-30MHz频带内的信号，所需操作频率是窄带的中心。在一些实施例中，窄带载波信号的所需操作频率是从1MHz到999GHz。
在框504中，方法500以产生窄带光发射信号继续。举例来说，激光二极管106可产生匹配于经调制窄带载波信号的窄带光发射信号。因此，举例来说，如果所需操作频率是100MHz，且经调制窄带载波信号包含90MHz与110MHz之间的频带中的载波信号，那么激光二极管106将产生同一个90MHz到110MHz频带中的光发射信号。
方法500在框506中以朝向目标对象引导窄带光发射信号继续。举例来说，激光二极管106单独或与光学器件108结合可朝向目标对象116引导窄带光信号152。在框508中，方法500以接收从目标对象反射的光继续。举例来说，具有在窄带光发射信号的频带内的频率的反射光154由光电二极管110接收。
方法500在框510中以将所接收反射光转换为电流信号继续。举例来说，光电二极管110经配置以将所接收反射光转换为与接收光的强度成比例的电流信号156。在框512中，方法500以从电流信号滤除频带之外的频率以产生经滤波电流信号继续。举例来说，充当带通网络的调谐网络118经配置以接收电流信号156且从中滤除与所发射窄带光发射信号的频带对应的频带之外的频率，因此从信号移除噪声。
方法500在框514中以将经滤波电流信号转换为电压信号继续。举例来说，TIA 112从调谐网络118接收经滤波电流信号且将经滤波电流信号转换为电压信号158。在框516中，方法500以基于电压信号确定到目标对象的距离继续。举例来说，处理器114经配置以接收电压信号158，且直接地(即，通过对窄带光发射信号从激光二极管106行进到目标对象，从目标对象反射，且作为反射光由光电二极管110接收所需的时间进行计时)和/或基于检测到的发射窄带光发射信号152与接收反射光154之间的相移，来确定所发射窄带光发射信号154的TOF。在确定TOF之后，可确定到目标对象116的距离。
在权利要求书的范围内，对所描述实施例的修改是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (22)

1.一种光学距离测量系统，其包括：
发射电路，其经配置以产生第一频带上的窄带光发射信号且以所述第一频带上的所述窄带光发射信号的最高操作频率朝向目标对象引导所述窄带光发射信号；以及
接收电路，其经配置以：接收从所述目标对象反射的光；将经反射的光转换为与所述经反射的光的强度成比例的电流信号；通过所述接收电路的带通网络从所述电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应，其中所述带通网络经优化以在频带中具有最大信噪比；以及将所述经滤波电流信号转换为电压信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述发射电路包含：调制信号产生器，其经配置以产生所述第一频带中的经调制窄带载波信号；以及发射驱动器，其耦合到激光二极管电路，所述发射驱动器经优化以用于通过所述激光二极管电路的电流的窄带调制。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是单频调信号。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有相位调制的单频调信号。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有振幅调制的单频调信号。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有固定频率的多频调信号。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是在窄带频率范围上具有频率调制的信号。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是在窄频率范围上具有脉冲位置调制的信号。
9.根据权利要求2所述的系统，其中所述接收电路进一步经配置以基于所述经调制窄带载波信号与所述电压信号之间的估计相移而确定从所述系统到所述目标对象的距离。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收电路进一步经配置以基于所述窄带光发射信号的直接飞行时间而确定从所述系统到所述目标对象的距离。
11.一种光学距离测量接收器，其包括：
光电二极管，其具有基本电容，光电检测器经配置以在第一频带上接收从目标对象反射的光且将经反射的光转换为与所述经反射的光的强度成比例的第一电流信号，其中从所述目标对象反射的光是通过以所述第一频带上的窄带光发射信号的最高操作频率朝向所述目标对象引导所述窄带光发射信号而形成；
带通网络，其经配置以从所述光电二极管接收所述第一电流信号且从所述第一电流信号滤除第二频带之外的频率以产生第一经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应，其中所述带通网络经优化以在频带中具有最大信噪比；以及
跨阻抗放大器TIA，其经配置以从所述带通网络接收所述第一经滤波电流信号且将所述第一经滤波电流信号转换为与所述第一经滤波电流信号对应的第一电压信号。
12.根据权利要求11所述的光学距离测量接收器，其中所述带通网络是可调谐的，以使得所述接收器经调谐到对应于经调制的所述经反射的光的频率的谐振频率。
13.根据权利要求11所述的光学距离测量接收器，其中：
所述光电二极管进一步经配置以在第三频带上接收从所述目标对象反射的光且将经反射的光转换为与所述经反射的光的强度成比例的第二电流信号，所述第三频带不包括所述第一频带；
所述带通网络进一步经配置以从所述光电二极管接收所述第二电流信号且从所述第二电流信号滤除第四频带之外的频率以产生第二经滤波电流信号，所述第四频带与所述第三频带对应；且
所述TIA进一步经配置以从所述带通网络接收所述第二经滤波电流信号且将所述第二经滤波电流信号转换为与所述第二经滤波电流信号对应的第二电压信号。
14.根据权利要求11所述的光学距离测量接收器，其中所述带通网络包含耦合到所述光电二极管和所述TIA的电感器。
15.根据权利要求14所述的光学距离测量接收器，其中：所述TIA包含与电容器和运算放大器并联的反馈电阻器；且所述电感器与所述光电二极管和所述运算放大器串联耦合。
16.根据权利要求15所述的光学距离测量接收器，其中所述电感器的电感是基于所述第一频带和所述光电检测器的所述基本电容。
17.根据权利要求11所述的光学距离测量接收器，其进一步包括处理电路，所述处理电路经配置以基于所述第一电压信号确定从所述光学距离测量接收器到所述目标对象的距离。
18.一种用于确定到目标对象的距离的方法，所述方法包括：
在第一频带上接收从所述目标对象反射的光，其中所述从所述目标对象反射的光是通过以所述第一频带上的窄带光发射信号的最高操作频率朝向所述目标对象引导所述窄带光发射信号而形成；
将所述反射光转换为与经反射的光的强度成比例的电流信号；
通过带通网络从所述电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应，其中所述带通网络经优化以在频带中具有最大信噪比；将所述经滤波电流信号转换为电压信号；以及
基于所述电压信号确定到所述目标对象的距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
产生所述第一频带中的经调制窄带载波信号；
产生所述第一频带上的窄带光发射信号，所述窄带光发射信号对应于所述经调制窄带载波信号；以及
朝向所述目标对象引导所述窄带光发射信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述经调制窄带载波信号是具有调制的单频调信号。
21.根据权利要求19所述的方法，其中确定所述距离是基于所述经调制窄带载波信号与所述电压信号之间的估计相移。
22.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述距离是基于所述窄带光发射信号的直接飞行时间。
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