CN111123247B - 一种反蛙人声纳告警装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反蛙人声纳告警装置及方法,该装置包括两个信号接收水听器、一块信号调理板、一块信号处理板和一块电源板;其中所述信号接收水听器经过穿舱缆与舱内的所述信号调理板相连,所述信号调理板与所述信号处理板、电源板相连,所述信号处理板与所述电源板相连;反蛙人声纳告警装置安装在水下载人航行器上或者蛙人潜水服上。本发明可有效保证蛙人隐蔽工作时的安全性,提高了蛙人作业的生存率。
Description
技术领域
本公开涉及航海技术领域,尤其涉及水声工程和声纳系统技术,具体为一种反蛙人声纳告警装置及方法。
背景技术
蛙人又称“水鬼”,是军民两用的专业潜水员,可从事水下救援、侦察、爆破、反恐、泅渡以及其他特殊任务。因其具备隐蔽性好,突袭机动能力强等优点,在“非对称战略”中具备极高的优越性。
为了应对该种“非对称战略”所带来的威胁隐患,世界各国近年来加强了对发展新型反蛙人装备的研制和开发工作。其中,反蛙人声纳的建设和发展又是反蛙人装备体系建设中必不可少的一部分。
目前,国内外反蛙人的主要手段是通过主动声纳进行蛙人探测,被动声纳探测蛙人技术因探测距离近、漏报率高、效能低等因素仍处于试验阶段,不具备工程实用价值。
下表为国外主流反蛙人声纳的技术指标,可以看出反蛙人声纳的信号频率范围在60kHz~100kHz左右,带宽范围在3~20kHz之间,发射的主动脉冲信号多为窄带CW信号和宽带LFM信号。
表1国外典型反蛙人声纳技术指标
根据唯物主义辩证哲学,蛙人和反蛙人声纳就像是矛和盾的关系,为了克制蛙人的突出表现,反蛙人声纳也向系列化发展,反蛙人能力让蛙人的优势发挥不出来,甚至在被发现后,存在被消灭的危险。本发明旨在暗中警戒侦察反蛙人声纳发射的主动声波信号,目的是让蛙人或者蛙人运载器能够在反蛙人声纳发现蛙人或蛙人运载器前,及时规避反蛙人声纳,从而保证自身安全。
发明内容
本发明为克服相关技术中存在的问题,提出了一种反蛙人声纳告警装置及方法。
一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:包括两个信号接收水听器、一块信号调理板、一块信号处理板和一块电源板;其中所述信号接收水听器经过穿舱缆与舱内的所述信号调理板相连,所述信号调理板与所述信号处理板、电源板相连,所述信号处理板与所述电源板相连;反蛙人声纳告警装置安装在水下载人航行器上或者蛙人潜水服上。
作为优选,所述信号接收水听器,设于所述反蛙人声纳告警装置安装平台的外部,水听器间距不小于0.2m;被配置为实时侦听反蛙人声纳主动发射的声波脉冲信号。
作为优选,所述信号调理板安装在舱内,被配置为将信号接收水听器传递的信号滤波、放大、模数转换后传递给信号处理板。
作为优选,所述信号处理板安装在舱内,被配置为将信号调理板传递的数字信号经过信号处理方法处理后,获得反蛙人声纳主动发射的声波脉冲信号信息,并与外部设备进行通信,发出检测到反蛙人声纳及其方位的警报信号。
作为优选,所述电源板安装在舱内,被配置为向信号调理板、信号处理板提供电源。
一种反蛙人声纳告警装置的告警方法,包括:
两个信号接收水听器实时接收海洋中声信号,对两路声信号进行傅里叶变换,开展时频分析,对疑似脉冲信号进行特征提取,获得脉冲宽度、周期、频谱结构、信号强度特征,经过两次特征提取后,所获得特征信息相似度达到95%以上,确认为反蛙人声纳主动脉冲信号,否则判断为干扰信号;
若判断为干扰信号,则继续对两路声信号进行傅里叶变换处理,重复上述处理过程;若判断为反蛙人声纳主动脉冲信号后,对两路声信号脉冲部分进行相关处理,计算两路信号时间延迟,从而确定信号方位;并将反蛙人声纳所在方位上报。
作为优选,获得脉冲宽度具体方法包括:平方检波、短时积分、恒虚警处理和过门限判决;
①平方检波:
②短时积分:
这里的Δt为积分的累积时间,短时积分的输出采样周期为Δt;xl(t)为其中一次特征提取后的脉冲信号,xr(t)为另一次特征提取后的脉冲信号;
③恒虚警处理
对短时积分输出和依此滑动Δt/3时间,对上述Δt/3时间内的数值从小到大进行排列,其中间位置的值为中值,定义为和在这Δt/3时间内的数值中,去掉大于和的值,保留小于和的值;对保留的M个值求出均值和则门限和γ为门限系数,取γ=2.5;
④过门限判决
将短时积分输出和与门限vl(Δt)和vr(Δt)进行比较,当连续3次大于vl(Δt)时或当连续3次大于vr(Δt)时判定出现主动声纳脉冲信号,主动声纳脉冲信号的前沿为第1次大于vl(Δt)的时刻或为第1次大于vr(Δt)的时刻,当连续3次小于vl(Δt)时或当xr mean(Δt)连续3次小于vr(Δt)时判定主动声纳脉冲信号消失,主动声纳脉冲信号的后沿为第1次小于vl(Δt)的时刻或为第1次小于vr(Δt)的时刻;求出这二个时刻的时间差,即为主动声纳脉冲信号的脉冲宽度;两次判定主动声纳脉冲信号出现的时间间隔即为脉冲信号的重复周期。
作为优选,确定信号方位具体方法为:
设信号入射方向与阵元连线的法线方向夹角是θ;左阵元的接收信号记为s(t),右阵元接收信号比左阵元早到达τ(θ),其中τ(θ)=dsin(θ)/c,c为声速;由此可知两路信号延时与入射角的关系,其中d为两个信号接收水听器之间的距离;
设左阵元接收信号为:
xl(t)=s(t)+n1(t)
则相应的右阵元接收信号为:
xr(t)=s(t-τ(θ))+n2(t)
n1(t)和n2(t)为相互独立的噪声;
通过计算出τ(θ),就得到θ。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本公开技术方案所提供的反蛙人声纳告警装置是一项针对反蛙人声纳探测蛙人而设计的一款告警设备,在装置配备了所述方法的情况下,该设备可在蛙人开展水下作业时对其是否被发现提供警报信息,可有效保证蛙人隐蔽工作时的安全性,提高了蛙人作业的生存率。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据示例性实施例示出的反蛙人声纳告警装置的结构示意图
图2是根据示例性实施例示出的FWR声纳告警装置工作流程示意图
图3是根据示例性实施例示出的水听器结构示意图
图4是根据示例性实施例示出的程控增益芯片功能框图
图5是根据示例性实施例示出的ADS抗混滤波芯片在SPI接口工作模式下的时序图
图6是根据示例性实施例示出的信号处理板电路总体框图
图7是根据示例性实施例示出的信号处理软件流程图
图8是根据示例性实施例示出的测向算法采用的双阵元接收示意图
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例所提供的技术方案涉及到反蛙人声纳告警装置及方法。相关技术中,因蛙人在“非对称战略”中具备极高的优越性,世界各国近年来加强了对发展新型反蛙人装备的研制和开发工作。其中,反蛙人声纳的建设和发展又是反蛙人装备体系建设中必不可少的一部分。目前,国内外反蛙人的主要手段是通过主动声纳进行蛙人探测,反蛙人声纳也向系列化发展,反蛙人能力让蛙人的优势发挥不出来,甚至在被发现后,存在被消灭的危险。基于此,本公开的技术方案应用于在暗中警戒侦察反蛙人声纳发射的主动声波信号,目的是让蛙人或者蛙人运载器能够在反蛙人声纳发现蛙人或蛙人运载器前,及时规避反蛙人声纳,从而保证自身安全。
所述反蛙人告警装置及算法具备对反蛙人声纳的主动发射脉冲信号进行侦察,提取声源特征,估计频率、周期、脉宽等参数信息,测量声源方位,并将侦察结果上传并告警功能。
所述反蛙人告警装置及算法所具有的性能指标如下:
(a)侦察信号频率范围:46kHz~160kHz。
(b)侦察距离:≥1500m(被侦察SN主动发射SL≥200dB)
(c)侦察方位精度:在正前方测向精度优于10°。
(d)侦察信号形式:单频信号、调频信号、组合信号等。
(e)侦察信号脉宽:2ms~2s。
(f)侦察信号重复周期:0.2s~10s;
(g)侦察信号动态跟踪范围:≥100dB。
图1示例性示出了本公开技术方案所提供的反蛙人声纳告警装置的结构示意图。根据图1可知,所述反蛙人告警装置由信号接收水听器、信号调理板、信号处理板和电源板组成。信号接收水听器为两元水听器阵,阵元间距不小于0.2m。各部分之间通过导线和电缆连接。
反蛙人声纳告警装置主要工作流程为水听器阵接收声信号、水听器阵将声信号传递给信号调理板,进行放大、滤波、A/D采样、数据打包处理后,传递给信号处理板,信号处理板对数据进行处理,并将处理结果传递给上一级系统。图2示例性示出了本公开技术方案所提供的反蛙人声纳告警装置的工作流程图。
各模块设计方案如下所述:
(1)信号接收水听器
信号接收水听器包含水听器和前置模块两部分。
(a)水听器
水听器是该系统的重要组成部分之一,主要承担海洋声信号的感知与声电转换功能。根据任务需求和工程应用需求,水听器采用球形压电陶瓷材料,压电元件选用接收性能良好的P5型压电陶瓷,为提高水听器的耐压性能,在陶瓷圆管与外壳之间用聚氨酯灌注密封,内表面采取金属骨架和聚碳酸酯支撑,水听器的底面预留接口与前置模块对接。
为了保证水听器在工作频率范围内具有较为平坦的灵敏度响应,需要在结构上加以设计,以保证压电元件与支撑结构之间具有良好的去耦性,因此需在元件和结构件之间选用合适的去耦材料,有效地隔离由于电缆或其他原因引发的各种震动。同时,为了减小水听器对声场的影响,水听器的金属结构件很小,并且大部分被橡胶材料所包覆。在金属支撑结构件上开有一条凹槽,使其在硫化时起到定位的作用,在水听器使用过程中也可以起到方便安装和固定的作用。为了减轻水听器的自身重量,水听器的工作电缆选用φ8mm的屏蔽电缆。为了防水透声,在元件外部和电缆连接部位硫化一层防水透声橡胶,该结构对声场影响较小。图3示例性示出了本公开技术方案所提供的水听器结构示意图。
(b)前置模块
前置模块是该系统的重要组成部分之一,主要承担将接收声信号的水听器的电压输出进行放大、滤波等预处理,并将预处理信号输出给舱内信号调理板的模数转换模块。前置模块放在水听器腔体内,就近与水听器输出信号连接,有以下作用:①提高系统信噪比,②减少外界干扰的影响,③合理布局便于调节系统增益,④实现阻抗转换和匹配。
在信号接收水听器设计中,前置模块对微弱噪声的检测有较大影响,为了使水听器正常工作,前置模块必须得有高的输入阻抗。因为水听器可以等效为电压源U和电容器Ce的串联电路,也可等效为电荷源q和电容器Ce的并联电路。其中U,q,Ce分别为水听器产生的电压、电荷及固有电容,水听器的等效电路只有在负载Rl为无穷大,内部无漏电时,受声压产生的电压U或电荷q才能长期保持不变,如果负载不是无穷大,则电路通过Rl和Ce按指数规律放电。在前置放大器设计时,对应着水听器的两种等效电路,有两种前置放大器可以选择:一种是电压放大器,输出与输入电压成正比,一种是电荷放大器,输出与输入电荷成正比。
在反蛙人声纳告警装置中,前置模块设计成为电压放大器,电压放大器有一个特点,传输电缆越长,灵敏度越低,而前置模块就近水听器布放,则不存在降低水听器灵敏度的问题。另外,当前置模块的输入阻抗Ri较大时,容易受到外界干扰,这个问题也在工艺上得到解决。
据此,前置模块可以作为一个典型的四口网络,进行设计。放大量选择为10倍,工作电压3.3V。根据项目经验,该放大器的等效噪声优于0级海洋环境10dB以上。
为了增加环境适应性和可靠性,前置模块增加了一个1阶高通的预白化滤波器,截止频率为46kHz,这样也同时可以预防安装平台的低频振动,以及低频段的湍流噪声。前置模块的信号输入端还使用一对低漏电电流二极管完成具有输入电压箝位的保护电路。
前置模块和水听器集成一体化设计之后,通过水密电缆与安装平台壳体内的信号调理板模块进行互联。
(2)信号调理板
信号调理板可对2路水听器信号进行放大、滤波、A/D转换采集、打包传输等功能。工作频带46kHz~160kHz,带内起伏小于6dB,放大增益0~60dB可调,等效输入端自噪声≤3μV,通道间相位不一致性≤5°;采样率1800kHz;A/D转换位数不小于24位。
信号调理板包括程控增益电路、抗混电路、模数转换电路等。程控增益电路从前置模块接收到经放大的水听器信号后,进行程控放大。程控放大主芯片选择LINEAR公司的LTC6911,它是一款采用MSOP封装的双通道低噪声数字可编程增益放大器,控制简单,体积小。图4示例性示出了本公开技术方案所提供的程控增益芯片功能框图。
其中,VINA和VINB是模块输入通道,VOA和VOB是经过放大后对应模块输出通道。两通道相互独立,可以级联使用。
程控增益芯片包括两个轨对轨输出的匹配反相放大器,即使工作在单位增益,轨对轨对输入信号仍然起作用。通常运算放大器的输出电位只能在大于负电源某一数值到小于正电源某一数值这一区间内进行变化。但轨对轨放大器的输出电位最小可以达到负电源的值,最大可以达到正电源的值,这样就增加了放大器的动态范围。
程控增益芯片的两个通道的匹配增益都可以通过3位数字输入管脚(G0、G1、G2)进行编程控制,分别有(0、1、2、4、8、16、32、64)8档负增益可调,具体放大倍数如下表所示:
表2程控增益芯片增益设置表
抗混滤波电路主要应模数转换符合奈奎斯特采样定理而设计的,自从采用∑△过采样模数转换器后,抗混滤波的设计难度已经大大降低。在本技术方案设计中,采用的模数转换器为TI公司的ADS抗混滤波芯片。
ADS抗混滤波芯片是高带宽的24位工业用模/数转换器,实现了直流精度与交流性能的突破性结合。ADS抗混滤波芯片拥有最高200kHz的带宽,105KSPS的转换速率,1.8uV/℃的失调漂移以及高达109dB的信噪比。
ADS抗混滤波芯片的主要特性表现在:高阶限幅自稳调制器利用专有设计技术,实现了非常低的偏移,带内噪声也很低。片上线性相位提取滤波器可抑制调制器与信号带外噪声,实现了90%奈奎斯特速率的信号带通,而纹波不足0.005dB。
ADS抗混滤波芯片有三种工作模式可选:高速模式、高分辨率模式、低功耗模式。输出有两种模式,一种是SPI模式,一种是帧同步串行模式。输出的数据是24bit的二进制补码。ADS抗混滤波芯片的各引脚定义如下表所示。
表3ADS抗混滤波芯片各引脚功能描述
在该技术方案设计中,ADS抗混滤波芯片采样率选择480KHz,工作模式选择为高速模式,输出数据选择方式是SPI。此时,ADS抗混滤波芯片的5脚和6脚都应该置低。,图5示例性示出了本公开技术方案所提供的在SPI模式下ADS抗混滤波芯片在SPI接口工作模式下的时序图。
(3)信号处理板
信号处理板主要用于对水听器阵元数据信号进行处理,并对数据进行记录存储。信号处理模块硬件采用OMAPL138(核心板)+FPGA+MSP430方案。OMAPL138核心板为工业级。FPGA采用Altera公司的EP3C120F48417N。OMAPL138与FPGA结合完成数字信号的处理,MSP430F5438(以下简称MSP430)完成对整个电路的控制。图6示例性示出了本公开技术方案所提供的信号处理板电路总体框图。
如图6所示,左边的虚线框内为数字信号处理板,其中的MSP430电路由3.3v单独供电,其他部分电路由5v供电,DSP板功能如下:
①数字信号接收功能
信号处理板可接收不少于2路水听器数据功能。其中水听器为经过前置放大后,进行24位模数转换后的数字信号。通过数字接口传递给信号处理板。
②信号处理功能
信号处理板DSP处理能力不低于C6748。
③信号处理板存储扩展
需扩展一片NorFLASH,容量不低于4MB,用于存储功能软件代码,信号处理板设计一个NANDFLASH用于安装Linux操作系统软件代码,通过信号处理板程控可实现运行功能软件和运行Linux操作系统相互切换。
④信号处理板需扩展一片SD卡
容量不小于1TB,用于存储数据。
(4)电源板
电源板主要用于对信号调理板和信号处理板供电,可提供电压值分别为5V、12V和24V。
(5)信号处理方法
信号处理软件主要实现对侦察的反蛙人主动信号进行方位估计,总体分为信号侦察算法和测向算法两部分,图7示例性示出了本公开技术方案所提供的信号处理软件流程图。
(a)信号侦察算法
对水听器接收的时域信号进行脉冲信号侦察,处理方法包括:平方检波、短时积分、恒虚警处理和过门限判决。
①平方检波:
②短时积分:
这里的Δt为积分的累积时间,短时积分的输出采样周期为Δt。
③恒虚警处理
对短时积分输出和依此滑动Δt/3时间,对上述Δt/3时间内的数值从小到大进行排列,其中间位置的值为中值,定义为和在这Δt/3时间内的数值中,去掉大于和的值,保留小于和的值(假定还有M个值)。对保留的M个值求出均值和则门限和γ为门限系数,可取γ=2.5。
④过门限判决
将短时积分输出和与门限vl(Δt)和vr(Δt)进行比较,当连续3次大于vl(Δt)时或当连续3次大于vr(Δt)时判定出现主动声纳脉冲信号,主动声纳脉冲信号的前沿为第1次大于vl(Δt)的时刻或为第1次大于vr(Δt)的时刻,当连续3次小于vl(Δt)时或当连续3次小于vr(Δt)时判定主动声纳脉冲信号消失,主动声纳脉冲信号的后沿为第1次小于vl(Δt)的时刻或为第1次小于vr(Δt)的时刻。求出这二个时刻的时间差,即为主动声纳脉冲信号的脉冲宽度。两次判定主动声纳脉冲信号出现的时间间隔即为脉冲信号的重复周期。
(a)测向算法
图8示例性示出了本公开技术方案所提供的测向算法采用的双阵元接收示意图,在双阵元接收情况下,设信号入射方向与阵元连线的法线方向夹角是θ。如果左阵元的接收信号记为s(t),那么右阵元接收信号比左阵元早到达τ(θ),其中τ(θ)=dsin(θ)/c(c为声速)。由此可知两路信号延时与入射角的关系。
设左阵元接收信号为:
xl(t)=s(t)+n1(t)
则相应的右阵元接收信号为:
xr(t)=s(t-τ(θ))+n2(t)
n1(t)和n2(t)为相互独立的噪声。
通过计算出τ(θ),就可以得到θ,估算τ(θ)的方法由多种,例如和差波束、极大值法等。这里采用相关测时延法,通过计算xl(t)和xr(t)的互相关函数,寻找相关峰的位置来得到。时域计算互相关计算量较大,因此此处采用频域计算法,具体步骤为:
①分别对xl(t)和xr(t)进行傅里叶变换,得到Xl(f)和Xr(f);
②对Xl(f)取共轭,得到X* l(f);
③相乘,得到Y(f)=X* l(f)Xr(f);
④对Y(f)进行逆傅里叶变换,得到y(t);
⑤对y(t)进行平滑处理;
⑥寻找y(t)最大峰的位置nt;
⑦根据下式,推算出目标方位θ:
其中为fs采样频率,d为两阵元间距,T为信号长度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是,本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种反蛙人声纳告警装置的告警方法,其特征在于,包括:
两个信号接收水听器实时接收海洋中声信号,对两路声信号进行傅里叶变换,开展时频分析,对疑似脉冲信号进行特征提取,获得脉冲宽度、周期、频谱结构、信号强度特征,经过两次特征提取后,所获得特征信息相似度达到95%以上,确认为反蛙人声纳主动脉冲信号,否则判断为干扰信号;
若判断为干扰信号,则继续对两路声信号进行傅里叶变换处理,重复上述处理过程;若判断为反蛙人声纳主动脉冲信号后,对两路声信号脉冲部分进行相关处理,计算两路信号时间延迟,从而确定信号方位;并将反蛙人声纳所在方位上报;
获得脉冲宽度具体方法包括:平方检波、短时积分、恒虚警处理和过门限判决;
①平方检波:
②短时积分:
这里的△t为积分的累积时间,短时积分的输出采样周期为△t;xl(t)为其中一次特征提取后的脉冲信号,xr(t)为另一次特征提取后的脉冲信号;
③恒虚警处理
对短时积分输出和依此滑动△t/3时间,对上述△t/3时间内的数值从小到大进行排列,其中间位置的值为中值,定义为和在这△t/3时间内的数值中,去掉大于和的值,保留小于和的值;对保留的M个值求出均值和则门限和γ为门限系数,取γ=2.5;
④过门限判决
2.根据权利要求1所述的一种反蛙人声纳告警装置的告警方法,其特征在于:确定信号方位具体方法为:
设信号入射方向与阵元连线的法线方向夹角是θ;左阵元的接收信号记为s(t),右阵元接收信号比左阵元早到达τ(θ),其中τ(θ)=dsin(θ)/c,c为声速;由此可知两路信号延时与入射角的关系,其中d为两个信号接收水听器之间的距离;
设左阵元接收信号为:
xl(t)=s(t)+n1(t)
则相应的右阵元接收信号为:
xr(t)=s(t-τ(θ))+n2(t)
n1(t)和n2(t)为相互独立的噪声;
通过计算出τ(θ),就得到θ。
3.一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:用于实现如权利要求1所述的告警方法,包括两个信号接收水听器、一块信号调理板、一块信号处理板和一块电源板;其中所述信号接收水听器经过穿舱缆与舱内的所述信号调理板相连,所述信号调理板与所述信号处理板、电源板相连,所述信号处理板与所述电源板相连;反蛙人声纳告警装置安装在水下载人航行器上或者蛙人潜水服上。
4.根据权利要求3所述的一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:所述信号接收水听器,设于所述反蛙人声纳告警装置安装平台的外部,水听器间距不小于0.2m;被配置为实时侦听反蛙人声纳主动发射的声波脉冲信号。
5.根据权利要求3所述的一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:所述信号调理板安装在舱内,被配置为将信号接收水听器传递的信号滤波、放大、模数转换后传递给信号处理板。
6.根据权利要求3所述的一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:所述信号处理板安装在舱内,被配置为将信号调理板传递的数字信号经过信号处理方法处理后,获得反蛙人声纳主动发射的声波脉冲信号信息,并与外部设备进行通信,发出检测到反蛙人声纳及其方位的警报信号。
7.根据权利要求3所述的一种反蛙人声纳告警装置,其特征在于:所述电源板安装在舱内,被配置为向信号调理板、信号处理板提供电源。
Priority Applications (1)
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