CN112955772A - 用于全双工传输的非相干分布式雷达系统的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在至少两个非相干收发器单元之间交换信号的雷达方法，所述收发器单元分别具有最初非同步的、尤其是可控制的时钟源，该方法具有以下步骤：同步，其中，至少两个收发器单元的时钟源的时钟偏移和/或时钟速率自适应；全双工测量过程，其中通过无线电信道，第一收发器单元的第一发送信号传输到第二收发器单元并且第二收发器单元的第二发送信号传输到第一收发器单元；其中同步在所述全双工测量过程之前以这样的方式执行：在所述全双工测量过程的传输时间期间，发送信号之间的时间偏移和/或频率偏移至少基本保持恒定。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在至少两个非相干收发器单元之间交换信号的雷达方法和雷达系统。
背景技术
在已知的雷达方法中，特别是在辅助雷达方法中，常规上，至少两个在空间上分开的非相干收发器单元彼此通信。图1描绘了具有两个收发器单元1、2的常规辅助雷达4，其中，收发器单元1、2彼此通信。收发器单元1、2通常每个都具有其自己的各自的时钟源11、21，例如本地振荡器。此外，每个收发器单元1、2包括：射频(RF)生成器12、22；混频器或相关器13、23；模数(A/D)转换器14、24；和RF天线15、25。
由于收发器单元1、2空间上分开，无法进行直接和相干的测量。
例如，在WO 2017/118621 A1中描述了一种测量过程，其中两个收发器单元通过相同的互易无线电信道以这样的方式来发送和接收信号：所传输的信号在至少一个范围内按时间顺序重叠。在WO 2017/118621 A1中，使用信号之间的时间偏移，该时间偏移小于信号持续时间(或者甚至是信号持续时间的一半)。在每个收发器单元中，接收到的信号分别与发送的信号混频(低至基带)并进行采样(通过A/D转换器)，并且两个采样信号的相位噪声都相互关联。在昂贵的校正步骤以及两个采样信号的合成混频之后，可以抑制相位噪声的影响。系统偏差也可以得到校正，结果，最终可以进行连贯的测量。
已经证明不利的是，为了估计距离、相对速度和相位值，必须将整个采样信号从至少一个收发器单元发送到另一收发器单元。
此外，由于时钟源之间的时钟速率不同(或信号之间的时间漂移δt)，下变频至基带后，频谱效率非常低。图2描绘了已经通过WO 2017/118621 A1的方法被接收并混频到基带中的信号的时间频率响应。具有多个频率斜坡的调频连续波(FMCW)信号(也称为chirp)用作信号。具有正斜率的频率斜坡称为上-chirp，而具有负斜率的频率斜坡称为下-chirp。图2中使用的符号δf，μ，Δτ，τ0和Tsw表示频率偏移、扫描速率、时间偏移、信道中的传播时间和扫描持续时间。
图2所示的频率响应清楚地表明，占用的频带B随着FMCW chirp数的变化而变化。特别地，占用频带B随着时间增加。此外，每个FMCW chirp都有频率变化，随后必须通过昂贵的信号处理来纠正。
在信号处理中，对于缩混和采样信号的数字处理(也称为后处理)，许多昂贵的校正步骤是必需的。特别地，校正步骤包括二次相位响应的特别昂贵的校正以及时域中采样信号的移位。
由于上面讨论的缺点，很难用多个雷达站进行操作并进行有效的多路复用。在使用所有雷达单元进行近似同步测量的情况下，有必要对A/D转换器提出很高的要求，因为在基带中需要很高的带宽(每个雷达单元占用宽频带，并且由于时间的变化，需要在雷达台的频带之间有较大的频率间隔)。
发明内容
本发明的目的是提供一种雷达方法和雷达系统，其允许相对简单的测量，并且特别地使得可以减少或避免在对发射信号进行数字处理中的昂贵的校正步骤。
该目的特别是通过根据权利要求1所述的雷达、根据权利要求16所述的雷达系统和/或根据权利要求18所述的雷达方法的用途来实现的。
根据本发明的第一方面，该目的特别是通过一种雷达方法来实现，该雷达方法用于在至少两个分别包括最初是非同步的、尤其是可控制的时钟源的非相干收发器单元之间交换信号的雷达方法，该方法具有以下步骤：
-同步，其中，至少两个收发器单元的时钟源的时钟偏移和/或时钟速率对准；
-全双工测量过程，其中通过无线电信道，第一发送信号从所述第一收发器单元传输到第二收发器单元并且第二发送信号从所述第二收发器单元传输到所述第一收发器单元；
其中同步在所述全双工测量过程之前以这样的方式执行：在所述全双工测量过程的传输时间期间，发送信号之间的时间偏移和/或频率偏移至少基本保持恒定。
特别地，提及恒定的时间偏移和/或恒定的频率偏移是指时间偏移小于5ns和/或频率偏移小于5ppm，优选地时间偏移小于2.5ns和/或频率偏移小于2.5ppm，或者特别优选地时间偏移小于1ns和/或频率偏移小于1ppm。
根据本发明，在全双工测量过程之前的时钟源的(精确)同步使得可以精确地测量距离，收发器单元的相对速度和/或发送之间的相位位置。使收发器单元的信号成为可能，并且降低了对接收信号进行数字处理的成本。这样，消除多个昂贵的校正步骤。此外，还可以减少精确测量收发器单元的距离、相对速度和/或收发器单元的发送信号之间的相位所需的数据量。
“时钟源”优选地是指通过振荡过程产生时钟信号的振荡时钟源。
在两个时钟信号的情况下，它们可具有彼此相对的时钟偏移。另外，两个时钟信号的时钟速率也可不同。在具有各自的时钟源的空间上分离的收发器单元的情况下，时钟偏移导致收发器单元的发送信号的时间偏移或不同的相位。不同的时钟速率会导致收发器单元的发送信号之间出现频率偏移。另一方面，时钟速率的变化会导致频率漂移，即随时间变化的频率偏移。
在非同步时钟源的情况下，特别是存在时钟偏移和/或分别不同的时钟速率。在本雷达方法中，首先，非同步时钟源首先在一个步骤中同步。这意味着时钟偏移和/或时钟源的时钟速率彼此对准。在同步之后，时钟偏移和/或时钟速率尤其彼此对准。
信号，例如发送信号或接收的发送信号，优选地具有幅度，频率和相位。特别地，双工一词是指传输信道的方向性，全双工信道允许在两个方向上近似同时进行信号传输。
在优选的实施方案中，同步通过无线电，尤其是通过无线电信道来执行，该无线电优选是相互的。这确保了在全双工测量过程之前，可以尽可能简单，方便地进行同步，特别是通过在全双工测量过程中使用的同一无线电信道。优选地，无线电信道是互易的，这意味着无线电信道的信道特性在两个方向上是相同的。替代地和/或附加地，同步也可以通过电缆来执行。为此，仅需要低频信号的传输，结果，实现的技术难度保持简单。
优选地，交换的同步信号被用于同步，特别是类似的同步信号。
(完整的)信号或同步信号的特征尤其在于，它包含有关相位、幅度和频率的信息，或者特别是包含(完整的)ADC数据(即，模数转换的信号)的信息。在此意义上，发送信号的各个参数，例如频率，并不表示发送信号。
在特别优选的实施方案中，使用类似的频率调制、特别是FMCW调制或FSK调制来调制交换的同步信号；并且优选地在所述收发器单元中确定所述同步信号之间的频率失谐和/或频率漂移。通过使用类似的频率调制，可以特别好地确定同步信号之间的频率失谐和/或频率漂移。
特别地，为了同步，传输单独的同步值，特别是单独的信号参数，例如优选地频率和/或相位值。特别地，“同步值”不表示(完整的)(同步)信号(包括关于相位、幅度和频率的信息)。相反，同步值是这样的值，该值例如用一个或多个值来描述某些参数，例如频率值、频率漂移值等。
特别地，各个同步值包括所述第一收发器单元的第一全局时间和/或所述第二收发器单元的第二全局时间；特别地，所述第一全局时间基于所述第二全局时间和第一本地时间确定和/或第二全局时间基于所述第一全局时间和第二本地时间确定。
结果，实现收发器单元的特别好的同步，并且可以以分散的方式在每个收发器单元中执行同步。备选地，为了同步，确定时钟源的时钟速率之间的时间上的漂移并且在至少两个收发器单元之间交换。
优选地，为了同步，使用相应的控制信号、特别是控制电压以这样的方式来控制所述时钟源(例如VCXO；电压控制的晶体振荡器)，使得所述时钟源的时钟速率对准。这使得可以将时钟源彼此直接对准。另外，第一收发器单元的时钟源可以与第二收发器单元的时钟源对准，和/或第二收发器单元的时钟源可以与第一收发器单元的时钟源对准。
根据优选的实施方案，在所述全双工测量过程中，基于发送信号通过所述无线电信道的信号传播时间确定所述至少两个收发器单元之间的距离和/或相对速度。特别地，在所述全双工测量过程中，交换类似的发送信号，特别是FMCW发送信号，特别是包括交替向上和向下chirp的序列、仅向上chirp的序列或仅向下chirp的序列。结果，可以特别精确地确定距离和/或相对速度。
优选地，在所述全双工测量过程中，通过将接收的发送信号和各自对应的发送信号混合和/或相关，在每个收发器单元中生成比较信号；特别地在两个收发器单元(1,2)的至少一个中执行以下步骤：确定和校正中心频率；校正相移；和叠加以形成合成接收信号。
结果，可以减少每个收发器单元中的步骤数量。
优选地，在所述全双工测量过程中，通过将接收的发送信号和各自对应的发送信号混合和/或相关，在每个收发器单元中生成比较信号，并且基于比较信号在各个收发器单元中确定评估参数，特别是频谱评估参数，并且在收发器单元之间交换评估参数。特别地，这减少了全双工测量过程中收发器单元之间交换的数据量。
在特别优选的实施方案中，对于每个信号chirp，生成所述比较信号的比较频谱，其中评估参数包括比较频谱中的最大值的频率值和比较频谱中的最大值的相位值。结果，可以将全双工测量过程中的收发器单元之间交换的数据量减少到每个线性调频脉冲两个值。
特别地，在每个收发站中生成二维比较信号频谱；评估参数包括每个收发器站的两个频率值，它们是沿着所述二维比较信号频谱的每个维度的最大值的频率值。这样，全双工测量过程中的收发器单元之间交换的数据量可以进一步减少到两个值。
上述目的尤其通过一种用于确定距离和/或相对速度、特别是用于执行上述方法的雷达系统、特别是辅助雷达系统来进一步实现，包括：至少两个、优选在空间上分开的非相干收发器单元，它们分别具有非同步的，特别是可控制的时钟源；用于执行同步的同步设备，其中所述至少两个收发器单元的时钟源的时钟偏移和/或时钟速率对准；其中所述收发器单元设计用于执行全双工测量过程，其中通过无线电信道，所述第一收发器单元的第一发送信号传输到第二收发器单元并且所述第二收发器单元的第二发送信号传输到所述第一收发器单元；
其中所述同步设备被设计为在所述全双工测量过程之前以这样的方式执行同步：在所述全双工测量过程的传输时间期间，发送信号之间的时间偏移和/或频率偏移至少基本保持恒定。
优选地，时钟源特别是可控制的振荡器，优选地是电压控制的，尤其是石英振荡器(电压控制的晶体振荡器，VCXO)。结果，可以特别好地(自适应地)调整时钟速率。替代地，也可以想到的是，附加的电路，优选地延迟电路来修改，尤其是延迟由时钟源生成的时钟信号，使得时钟信号彼此对准。
另外，通过使用上述雷达方法和/或上述雷达系统来实现上述目的，该雷达系统和/或上述雷达系统用于移动设备，优选用于车辆，特别是无人驾驶飞行器或优选用于客车和/或卡车。
附图说明
在从属权利要求中提出了另外的实施例。在以下描述中，还参考附图描述了本发明的其他原理、方面和实施例。图纸显示以下内容：
图1是现有技术中可以找到的两个收发器单元；
图2是现有技术中收发器单元的非同步时钟源在基带中的频率响应；
图3为收发器单元的同步时钟源在基带中的频率响应。
具体实施方式
在下面的描述中，相同的附图标记用于相同和等同的部分。在根据本发明的雷达方法中，时钟源或本地振荡器的对准在实际测量之前进行，该实际测量是全双工测量过程。
为了对准时钟源，例如，可以首先通过测量确定时间漂移，然后对准各个雷达单元的时钟源。
在此还应该提到的是，通过选择质量非常高的振荡器(例如原子钟)也可以减少漂移。但是，考虑到原子钟的大小、复杂性、能耗和成本，对于用例来说这几乎是不可能的。
图3示出了在同步(时钟源的对准)之后下变频的信号的瞬时频率。此处fshift＝Δf+μΔτ表示未知的中心频率，该中心频率由频率偏移量Δf和扫描速率与时间偏移量μΔτ的乘积组成。这两个瞬时频率是恒定的，并且彼此相对移动了2τ0，即，在传输通道中的传播时间增加了一倍。
信号模型的推导
在下文中，信号用
表示，其中上标u/d表示向上或向下线性调频，下标a表示收发器单元(雷达站)的编号，k∈{1，...，K}表示FMCW线性调频的编号，并且x表示信号的类型(发送信号-tx，、接收信号-rx，、混合信号-mix和拍频信号-beat)；“拍频信号”是指数字化(时间和值离散)的混合信号。
两个收发器单元的发送信号的相位，也可以用作混合过程的参考信号，可以用数学方式表示为
其中fc和B分别对应于RF信号的载波频率和带宽。变量Θak和Ψak(t)代表收发器单元a的FMCW线性调频期间未知的开始相位和相位噪声。原则上，所有FMCW线性调频脉冲按时间顺序偏移Δτ，并且两个收发器单元的载波频率相差Δf.。
关联的复杂时间信号可以描述为
这两个信号都在传输信道上以相对于各个其他收发器单元的传播时间τ(t)传输并在那里接收。传输信道中的传播时间τk＝τ0+τ′k由开始时间τ0和很小的变化τ′k组成。在此基础上，可以根据xk＝c0τk＝x0+kvTsw.计算出距离和速度。后者影响线性调频脉冲的相位位置，但仅在有限的程度上影响最终的采样频率。这些接收信号的相位位置
可以相应地表示为发送信号的时间延迟变体。众所周知，在混合过程(IQ混合或I混合和随后的希尔伯特变换)以及随后的低通滤波器滤波之后，信号的相位可以表示为：
将(1)和(2)代入(4)会产生混合信号：
显然，两个信号的相位都受到干扰变量的同等影响。由于传播时间或传播时间的变化而产生的影响导致复杂的共轭相位变化。由于在时间t无法对混合信号进行采样，因此拍频信号
是混合信号的时延形式，对于单频信号，也可以用γ1或γ2表示为相移。
全双工测量过程
如果要进行距离和速度的估计，则例如可能仅发送和接收上行线性调频信号。有利地，在这种情况下，可检测速度的明确范围加倍。该示例性实施例也可以类似地使用下调线性调频脉冲。在沿距离方向进行傅立叶变换
后，采样信号的频谱可以描述为
对于频谱域中的窗口函数和相位噪声，选择了符号W(f)Ψpn，1k(t)＝Ψ1k(t)-Ψ2k(t-τk)和Ψpn，2k(t)＝Ψ1k(t-τk)-Ψ2k(t)。
交换发送信号并叠加发送信号：
现在可以完全交换采样信号。与现有技术的方法相比，在这种情况下的计算得以简化。首先，基于(8)和(9)，可以确定两个采样信号都围绕虚拟中心频率fshift布置。通过搜索两个峰计算得出
在下一步中，将纠正此偏移，从而得出
这种移位可以例如借助于傅立叶变换来执行。两个信号都以拍频为中心，该拍频对应于距离为0m(或拍频为0Hz)。然后为每个线性调频获得最大相位并将其除以2
由于该除法，可能会发生
到
的相位跳变，可以通过展开来纠正(第一个线性调频脉冲的相位
除外)。FMCW线性调频脉冲期间的剩余相位噪声可近似为
这相当于直到线性元素εk(t)的泰勒级数展开。由于相位噪声的水平必然比载波信号的幅度小得多，因此这种近似在实际应用中非常有效。用(13)校正每个FMCW线性调频的相位值后，可获得信号：
由于干扰变量，其相移现在正好是复共轭的。最后，属于(15)的时间信号被复共轭并叠加以形成合成拍信号。
通过沿着线性调频数k的傅立叶变换(16)，可以有效地获得相对速度，通过该傅立叶变换可以确定相对速度。
确定每个线性调频脉冲的频率值和相位值：
还可以如下减少所需发送的数据量和所需的计算步骤数：对于每个FMCW线性调频脉冲，在所有收发器单元中分别确定最大值的拍频。
通过
从两个收发器单元计算这些最大值直接导致在传输信道中的传播时间。因为在整个传输过程中，距离平均仅(很小)变化，通过平均
可以显着提高传播时间测量(或距离测量)的精度。同样，可以通过
来检测两个雷达中的最大值的相位来估计相位变化。
通过该相位变化，可以高精度地获得传输路径的长度的变化，并且可以测量速度。该变量φ0表示一个未知的开始阶段，该阶段对测量没有影响。因此，对于带有KFMCW线性调频脉冲的线性调频脉冲序列，必须传输2K实数值。
确定每个收发器单元的二维频谱：
在该示例性实施例中，可以通过每个收发器单元传输2个实数值(与线性调频序列的长度无关)来估计距离和相对速度。为此，假定系统干扰占主导地位(相位噪声的影响相对较小)。因此，两个收发器单元的时钟频率不完全匹配，因此时间漂移还没有精确地设置为零。这导致每个FMCW线性调频线性相位变化，可以由沿速度轴的频率偏移Δf2表示，并且在两个收发器单元中均等地发生。
因此，沿着FMCW线性调频脉冲的两个2D傅里叶变换
可以描述为
其中γ′1和γ′2代表未知和无关的相位值。相位噪声的2D傅立叶变换
引起的干扰在两个站都是准相同的，并且相互抵消。现在，从第一收发器单元和第二收发器单元沿距离和速度轴(传播时间和传播时间的变化)计算最大值，即可直接得出所需的测量值：
附图标记
1 第一收发器单元
2 第二收发器单元
4 雷达系统
11 第一收发器单元的时钟源
12 第一收发器单元的射频(RF)发生器
13 第一收发器单元的混频器
14 第一收发器单元的模数(A/D)转换器
15 第一收发器单元的RF天线
21 第二收发器单元的时钟源
22 第二收发器单元的射频(RF)发生器
23 第二收发器单元的混频器
24 第二收发器单元的模数(A/D)转换器
25 第二收发器单元的RF天线
τ 无线电信道
Claims (17)
1.用于在至少两个分别具有时钟源(11、21)的非相干收发器单元(1,2)之间交换信号的雷达方法，该时钟源最初是非同步的、尤其是可控制的，该方法具有以下步骤：
-同步(VS1)，其中，至少两个收发器单元(1,2)的时钟源(11、21)的时钟偏移和/或时钟速率对准；
-全双工测量过程(VS2)，其中通过无线电信道(τ)，第一发送信号(stx1)从所述第一收发器单元(1)传输到第二收发器单元(2)并且第二发送信号(stx2)从所述第二收发器单元(2)传输到所述第一收发器单元(1)；
其中同步(VS1)在所述全双工测量过程(VS2)之前以这样的方式执行：
在所述全双工测量过程(VS2)的传输时间期间，发送信号(stx1,stx2)之间的时间偏移和/或频率偏移至少基本保持恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，同步(VS1)是通过无线电、特别是通过优选是相互的无线电信道(τ)来执行的，或者特别是通过电缆来执行的。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中交换的同步信号用于同步(VS1)，特别是类似的同步信号。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，使用类似的频率调制、特别是FMCW调制或FSK调制来调制交换的同步信号；并且其中优选地在所述收发器单元(1,2)中确定所述同步信号之间的频率失谐和/或频率漂移。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中为了同步(VS1)，传输各个同步值，特别是各个信号参数，例如优选频率和/或相位值。
6.根据前述权利要求之一、特别是权利要求5所述的方法，
其中，所述各个同步值包括所述第一收发器单元(1)的第一全局时间(gt1)和/或所述第二收发器单元(2)的第二全局时间(gt2)，
其中，特别地所述第一全局时间(gt1)基于所述第二全局时间(gt2)和第一本地时间(lt1)确定，和/或
所述第二全局时间(gt2)基于所述第一全局时间(gt1)和第二本地时间(lt2)确定。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，为了同步(VS1)，确定所述时钟源(11,22)的时钟速率之间的时间漂移，并在所述至少两个收发器单元(1,2)之间交换。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中为了同步(VS1)，使用相应的控制信号、特别是控制电压以这样的方式来控制所述时钟源(11,21)，使得所述时钟源(11,21)的时钟速率对准。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，在所述全双工测量过程(VS2)中，基于发送信号(stx1,stx2)通过所述无线电信道(τ)的信号传播时间确定所述至少两个收发器单元(1,2)之间的距离和/或相对速度。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，在所述全双工测量过程(VS2)中，交换类似的发送信号，特别是FMCW发送信号(stx1,stx2)，特别是包括交替向上和向下chirp的序列、仅向上chirp的序列或仅向下chirp的序列。
11.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，在所述全双工测量过程(VS2)中，通过将接收的发送信号(srx1,srx2)和各自对应的发送信号(stx1,stx2)混合和/或相关，在每个收发器单元(1,2)中生成比较信号(sv1,sv2)；和
所述比较信号(sv1,sv2)在所述收发器单元(1,2)之间交换，
其中，特别地在两个收发器单元(1,2)的至少一个中执行以下步骤：
-确定和校正中心频率；
-校正相移；
-叠加以形成合成接收信号。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，
其中，在所述全双工测量过程(VS2)中，通过将接收的发送信号(srx1,srx2)和各自对应的发送信号(stx1,stx2)混合和/或相关，在每个收发器单元(1,2)中生成比较信号(sv1,sv2)；和
基于各个收发器单元(1,2)中的比较信号(sv1,sv2)来确定在所述收发器单元(1,2)之间交换的评估参数，特别是频谱参数。
13.根据前述权利要求之一、特别是权利要求12所述的方法，
其中，对于每个信号chirp，生成所述比较信号的比较频谱(svk1,svk2)，和
所述评估参数包括所述比较频谱(svk1,svk2)中的最大值的频率值和所述比较频谱(svk1,svk2)中的最大值的相位值。
14.根据前述权利要求之一、特别是权利要求12所述的方法，
其中在每个收发站(1,2)中生成二维比较信号频谱(Sv,2d1,Sv,2d2)，和
所述评估参数包括每个收发器站(1,2)的两个频率值，它们是沿着所述二维比较信号频谱的每个维度的最大值的频率值。
15.一种用于确定距离和/或相对速度、特别是用于执行根据权利要求1至14中的一项所述的方法的雷达系统，特别是辅助雷达系统，包括：
至少两个、优选在空间上分开的非相干收发器单元(1,2)，它们分别具有非同步的，特别是可控制的时钟源(11,21)；
用于执行同步(VS1)的同步设备，其中所述至少两个收发器单元(1,2)的时钟源(11、21)的时钟偏移和/或时钟速率对准；
其中所述收发器单元(1,2)设计用于执行全双工测量过程(VS2)，其中通过无线电信道(τ)，所述第一收发器单元(1)的第一发送信号(stx1)传输到第二收发器单元(2)并且所述第二收发器单元(2)的第二发送信号(stx2)传输到所述第一收发器单元(1)，
其中所述同步设备被设计为在所述全双工测量过程(VS2)之前以这样的方式执行同步(VS1)：
在所述全双工测量过程(VS2)的传输时间期间，发送信号(stx1,stx2)之间的时间偏移和/或频率偏移至少基本保持恒定。
16.根据权利要求15所述的雷达系统，
其中，所述时钟源(11,21)特别是可控制的，优选是电压控制的振荡器，特别是石英振荡器。
17.根据权利要求1至14中的一项所述的方法和/或根据权利要求15或16中的一项所述的系统在用于移动设备、优选地用于车辆、特别是无人驾驶飞机或优选客车和/或卡车中的用途。
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