CN115903061A - 定向脉冲微波束共振深地探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，所述系统包括脉冲雷达单元以及与所述脉冲雷达单元连接的发射天线、接收天线以及接收控制单元；所述接收控制单元连接有信号处理与显示单元；所述脉冲雷达单元产生宽带脉冲，经由所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束；所述接收天线，接收所述波包与所述地下待测体发生共振反应后返回的回波信号，经由所述脉冲雷达单元传输至所述接收控制单元；接收控制单元对所述回波信号进行信号转换为计算机可读取的回波信号数据，并传输至信号处理与显示单元进行分析。本发明提供的定向脉冲微波束共振深地探测系统通过发射具有高频和低频组成的多光谱能量波包，可以在保证探测频率的同时兼顾探测深度，实现准确且高效的地质勘探。

Description

定向脉冲微波束共振深地探测系统

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别是一种定向脉冲微波束共振深地探测系统。

背景技术

地质勘探是对一定地区内的演示、地层、构造等地质情况进行调查研究工作，勘探技术追求的最核心目标是在最大的深度范围内实现最高的分辨能力。在现有的地球物理勘探技术方法中地震探测法和高频电磁波探测法较为常用。地震探测法是利用从震源到接收点之间介质的物性(特别是刚性和弹性)变化所反映的波的传播速度，并通过测定方法来评价地基在平面或垂向上的连续关系。地震探测法能够实现的最大探测深度为-6000m～-7000m，但是，地震探测法分辨率极低(分辨能力大于几十米)。高频电磁波探测方法，能够实现最大分辨率如地质雷达法，对地下物质实现厘米级的分辨率，但其探测深度通常小于10米。

从探测机理上看，探测深度与分辨率是一对此长彼消的矛盾，取决于探测波的频率，探测波的频率最低，其探测深度越深但分辨率越低，反之分辨率越高探测深度越浅。因此，如何在保证探测频率的同时兼顾探测深度，则是地质勘探中研究的重点。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的定向脉冲微波束共振深地探测系统。

本发明提供了一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，所述系统包括脉冲雷达单元以及与所述脉冲雷达单元连接的发射天线、接收天线以及接收控制单元；所述接收控制单元连接有信号处理与显示单元；

所述脉冲雷达单元产生宽带脉冲，经由所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束；其中，每个脉冲包含多频率组成的多光谱能量波包；

所述接收天线，接收所述波包与所述地下待测体发生共振反应后返回的回波信号，经由所述脉冲雷达单元传输至所述接收控制单元；

所述接收控制单元，用于对所述回波信号进行信号转换为计算机可读取的回波信号数据，并传输至信号处理与显示单元，由所述信号处理与显示单元根据所述回波信号数据分析所述地下待测体的特性。

可选地，所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束具有包括低频脉冲波包波前驻波和脉冲波包内高频共振波；所述低频脉冲波包波前驻用于实现地下深度的穿透，所述脉冲波包内高频共振波用于提高地下层的垂直分辨率；

脉冲波束的重复频率为：5KHz～100KHz，脉冲波包内高频调制频率在1MHz～1GHz的频率范围内工作。

可选地，所述信号处理与显示单元用于对所述回波信号数据进行广角折射反射分析，以从记录的时间图像中产生深度信息；

分析所述回波信号数据的发射特性、共振吸收特性、回波信号振幅均值或平均数以及回波信号振幅均值的标准偏差。

可选地，所述信号处理与显示单元还用于展示所述回波信号数据以及所述回波信号数据的分析结果数据。

可选地，所述系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述信号处理与显示单元连接，用于存储所述信号处理与显示单元接收的回波信号数据和对所述回拨信号数据分析后得到的分析结果数据。

可选地，所述系统还包括与所述脉冲雷达单元连接的电源单元，以向所述脉冲雷达单元供电。

本发明实施例提供了一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，通过脉冲雷达单元产生宽带脉冲，每个脉冲又一系列所需频率组成多光谱能量波包，该脉冲被馈送到发射天线。一旦信号已发送到发射天线，信号就会发送到接收控制单元，以同步收集地下反射数据，这些数据是通过接收天线从不同的地下岩石层和矿物结构收集的。接收控制单元从接收天线收集回波信号，并将其转换为可以读取并存储在数据记录计算机上的形式，进而由信号处理与显示单元利用信号处理专用软件对回波信号经过转换后得到的回波信号数据进行数据分析，以得到地下待测体的分层以及材料特性，从而可以在保证探测频率的同时兼顾探测深度，实现准确且高效的地质勘探。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例的定向脉冲微波束共振深地探测系统结构示意图；

图2示出了本发明实施例的向下发射脉冲微波束共振深地探测波包示意图；

图3示出了本发明实施例的低频脉冲包含高频波包示意图；

图4a～c示出了本发明实施例的信号处理与显示单元处理过程示意图；

图5示出了本发明实施例的广角反射和折射扫描WARR-Scan示意图；

图6示出了本发明实施例的剖面扫描Profile-Scan示意图；

图7示出了本发明实施例的静态凝视扫描Stear-Scan示意图；

图8示出了本发明实施例的公共中点扫描CMP-Scan示意图；

图9示出了本发明实施例广角折射反射WARR分析过程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，定向脉冲微波束共振深地探测技术是基于脉冲雷达基础上，通过创建和向地下发射相干超定向脉冲窄波束来实现对地球地下的更深穿透和更高的垂直分辨率。非介入式定向脉冲微波束共振深地探测技术能为深部找矿等地球物理服务应用提供更迅速，更环保，更经济的解决方案。

如图1所示，本发明实施例提供的定向脉冲微波束共振深地探测系统可以包括脉冲雷达单元以及与所述脉冲雷达单元连接的发射天线、接收天线以及接收控制单元；所述接收控制单元连接有信号处理与显示单元。其中，脉冲雷达单元产生宽带脉冲，经由所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束；其中，每个脉冲包含多频率组成的多光谱能量波包。所述接收天线接收所述波包与所述地下待测体发生共振反应后返回的回波信号，经由所述脉冲雷达单元传输至所述接收控制单元；接收控制单元，用于对所述回波信号进行信号转换为计算机可读取的回波信号数据，并传输至信号处理与显示单元，由所述信号处理与显示单元根据所述回波信号数据分析所述地下待测体的特性。

实际应用中，不同的材料会反射和吸收特定频率和能级下的电磁辐射(射频无线电波，微波)。结合图2可知，将地下结构作为待测体，本实施例的定向脉冲微波束共振深地探测系统可以向地下发射一种定向共聚焦脉冲波束，该波束包含连续的由不同频率结合起来产生的脉冲。

每个脉冲包含多频率组成的多光谱能量波包，如图3所示。能量波包中包含有低频脉冲部分和波包内的高频部分。其中，传输的脉冲微波束波包包含射频和微波范围内的一组频率分量，用它们来调制一个固定频率的低频脉冲，低频脉冲实现了对地层深度穿透。而每个脉冲里包含的高频波包则增强了垂直分辨率。当不同成分和质地的岩石暴露于定向脉冲微波束共振深地探测波包中时，合适的具有接收天线的接收器可以检测到一定范围的能量和频率响应。被记录的数据描述了包括碳氢化合物在内的岩石和矿物如何与电磁辐射相互作用，从而使其穿过并确定其组成。该技术可通过分析光谱和共振能量响应来测量地下介电常数，并表征岩石类型的性质。

上述物理过程由麦克斯韦方程组地面耦合模型来描述：

其数字解由时域有限差分(FDTD)及费涅尔射线追踪计算方法近似，假设边界条件满足：(PML)层间完美匹配。其中：ε_r：＝相对介电常数相对介电常数；σ＝电导率；τ:＝德拜弛豫时间；P:＝极化，E:电场强度；

定向脉冲微波束共振深地探测使用传播的波包，从地下反射中得出波谱成分和能量变化性质。因此，数据分析比普通的时域电磁反演技术更像地震方法。然而，定向脉冲微波束是电磁波，它与地震压力波有不同的作用机理。

透过地面传输的波束是相干(同相)射频和微波脉冲共聚焦波束(像长而细的倒圆锥形)。传输的定向脉冲微波束有两个分量：低频脉冲波包波前驻波以实现(以公里为单位)的大深度穿透，而脉冲波包内高频共振波用以提高地下层的垂直分辨率(厘米级的分辨率)。脉冲波束的重复频率为：5KHz～100KHz，脉冲波包内高频调制频率在1MHz～1GHz的频率范围内工作。

也就是说，定向脉冲微波束共振深地探测技术基于以下原理：不同的材料会反射和吸收特定频率和能级的电磁辐射(无线电波，微波)。定向脉冲微波束共振深地探测系统发送一个电磁能量脉冲，其中包含一个多频率成分的(微波和射频范围)波包，脉冲中的波包可以与其路径上遇到的地下材料发生反应，并与特定物质发生共振。返回的共振能量响应可以在时间和空间上被接收天线准确接收，特定波行波返回时间及其能量、频率和相位关系得出地下物质出现位置和其组成。进一步地，来自地下的回波信号被记录为时域轨迹，并提供有关波束行波过程中所遇到不同材料的位置和组成的信息。

信号处理与显示单元还可以对所述回波信号数据进行广角折射反射分析，以从记录的时间图像中产生深度信息，从而分析回波信号数据的发射特性、共振吸收特性、回波信号振幅均值或平均数以及回波信号振幅均值的标准偏差。

图4示出了本发明实施例的信号处理与显示单元处理过程示意图，其中，图4a：固定发射天线，横向均速移动接收天线；图4b:根据不同回波时间，行波速度算出各层介电常数；图4c：在不同介质层面产生共振反射波，在同质介质内产生共振吸收波。

如图4a所示发射天线Tx向地下发射窄波束信号后,当这些波穿过不同材料之间的边界时，“回波”会反射回接收天线Rx。但是收到的“回波”与发出的“波”是不同的，因为发射波与其所遇到的不同材料相互作用，产生的共振不同，因而每个界面发射的回波是不一样的，因为每种材料都有自己的介电常数或对我们撞击它的电磁波的“阻抗”不同。因而产生不同的回波。部分材料的介电常数及电磁波在其中的行波速度如表1所示。

表1

材料	介电常数	信号行波速度
			空气	1	0.30
淡水	80	0.033
			海水	80	0.01
干沙	3-6	0.12-0.17
			湿沙	25-30	0.055-0.060
湿淤泥	10	0.096
			干黏土	3	0.173
湿黏土	8-15	0.86-0.110
			土壤平均	16	0.075

如图4b、图4c所示，接收的“回波”与指纹一样独特，可以对其进行分析，根据发射波被不同的材料吸收和反射方式不同以及返回时间不同，可以与已发现的材料特征的详细信息(见表1)比较，用以揭示各个地下分层，及层间物质.最终获得被扫描材料的形状和深度。本实施例通过测量“介电共振”，这是材料在受到电磁波撞击时产生共振的独特方式。

实际应用中可以采用广角反射和折射扫描WARR--Scan、剖面扫描Profile-Scan、静态凝视扫描Stear-Scan以及中点CMP扫描的方式实现地下深度及介电常数等特性的获取。

一、广角反射和折射扫描WARR--Scan

结合图5，在本实施例中，采用广角反射和折射扫描WARR-Scan的方式，将发射天线和接收天线分离地设置在一固定的起点；激励发射天线所述从起点沿着预定线路在地面上移动，远离固定在起点的接收天线；在发射天线移动过程中，随着发射天线和接收天线的分离距离的增加，周期性记录所述发射天线的位置点以及所述发射天线和所述接收天线之间的距离；通过接收器所述发射天线在各所述位置点发射的脉冲波束信号与地下物质相互作用后连续返回的反射信号，以采集地下深度及分层数据。其中，可以使用GPS和相应计算发射和接收天线的准确位置。电发射机磁脉冲被垂直地(或以向下指向地面的角度)传输到地下，并在每个分离处反射到接收天线。由系统测量的双向传输时间T，产生了深度计算和时域振幅-深度曲线。

二、剖面扫描Profile-Scan

采用剖面扫描Profile-Scan的方式，将发射天线和接收天线分离地设置在一固定的起点，并固定所述发射天线和接收天线之间的距离；控制所述发射天线和接收天线在地表沿着测量线同时移动，移动过程中发射天线产生的脉冲波束信号被垂直地或以非垂直角度传输到地下，每个发射的脉冲波束信号从地下的特征面反射，并在接收天线上产生连续的发射信号跟踪，以采集地下深度及分层数据。

参考图6，p扫描是将发射和接收天线设置在一个的固定分离，并将这对天线沿着地面表面测线的横向移动，运动过程中电磁(EM)脉冲被垂直地(或以非垂直角度)传输到地下。每个发射的电磁脉冲从地下的特征面反射，在接收天线上产生连续的信号跟踪。从反射体接收到的信号振幅随传输脉冲所通过的材料的传播系数而变化，这与该材料的介电常数有关。当该脉冲与某个地下分层产生共振时可以观察到反射的振铃脉冲。该机制可用来识别材料类型和组成。

其中，控制所述发射天线和接收天线在地表沿着测量线移动以进行若干p扫描，扫描轨迹彼此相邻放置以产生P-扫描图像；其中，每个扫描轨迹的振幅被对比表示以显示地下层，P-扫描图像具有两个轴：x轴，表示相邻放置测点序号/位置，与沿测量线的距离成正比；y轴，表示接收到的反射信号的电磁脉冲传输时间/深度，及每个离散点的振幅。

三、静态凝视扫描Stear-Scan的方式

如图7，采用静态凝视扫描Stear-Scan的方式，将发射天线和接收天线设置在多个固定点；在每个固定点，利用发射天线向地下发射脉冲波束信号的同时通过接收天线收集一定时间内脉冲波束信号与地下物质相互作用后返回的反射信号，以采集地下深度及分层数据。

发射天线Tx和接收天线Rx保持固定分离，不移动，即像长时间曝光的相机一样凝视。在一段时间内收集数据，以建立被观测区域的图像，然后天线可以被移动到另一个点，这样就可以重复同样的测量。以这种方式生成的图像可以添加在一起，制作一个合成的p扫描或WARR图像。支架对目标特征的光谱定型非常有用。

四、中点CMP扫描

设定公共点，采用中点CMP扫描的方式，将发射天线和接收天线以相同的或相同的速度从公共点进行反方向移动，在发射天线和接收天线的移动过程中的每个固定点，收集发射天线发射的脉冲波束信号对应的反射信号，以采集地下深度及分层数据；其中，每个固定点对应的反射信号的反射点位于一条垂直线上。

如图8所示，与WARR扫描一样，通用中点(CMP)扫描可用于确定反射体或地下地平线的深度。这种方法是将Tx和Rx天线以相同的距离步骤或相同的速度从公共点相互移动，这样做，将保持相同的反射点。

反射体的深度来自以下公式：

其中，x＝天线与公共点的距离(以米为单位测量)t＝双向行程时间(以纳秒计得)这种方法被重复使用，直到在图像中看到的所有反射体的深度都被记录下来，其速度可以从上述方程中推导出。上述方程的推导如下：在一个均匀的材料中，相对速度计算公式如下：

εr＝介电常数(即相对介电常数)，t＝测量到反射体的行程时间(方程式中的2与双向行程时间相关，表示信号到达目标并再次返回。

在本实施例中，信号处理与显示单元可以安装有基于定向脉冲微波束共振深地探测技术开发的光线追踪和时域有限差分(FDTD)模拟软件，用于对定向脉冲微波束共振深地探测波在各种地下材料中传播的数值进行数值模拟。模拟扫描用于初步的可行性研究，以及用于基于已知地质和/或井眼数据(如果可用)的地面模型进行特定领域扫描的实验设计。也就是说，通过接收天线所接收到的回波信号数据可以由专用处理软件进行解译与分析。信号经过质量控制后，就可以进行处理了。处理涉及两个主要步骤；首先是进行广角折射反射WARR分析，以从记录的时间图像中产生深度信息.

结合图9可知，通过广角反射折射信号采集上来后，经过信号平滑处理，背景值去除，滤波处理后，进行射线追踪理论(Ray-Track)计算和动态位移处理(NMO),之后既可以进行各个分层的深度计算，有了个分层的深度，个分层回波时间，就计算出电磁波在个分层的速度，因而反推出个分层的介电常数。

其次，将图像分为子层组件可以在光谱上将其与材料数据库进行比较。最后，子层图像通过专有的信号处理套件进行处理，以进一步表征各个地层的特性。与此同时，信号处理与显示单元还可以展示所述回波信号数据以及所述回波信号数据的分析结果数据。

信号处理专用软件通过土壤、沉积物和岩层传输返回的共振信号，和与之相匹配的微波能量束共振接收器的信息提取。得到的数据是一组显示返回信号频率的特定日志和一组显示返回信号能量的特定日志。为了从数学和统计上评估信号振幅随时间和空间(距离)变化的确切性质，一系列精确的“度量”工具被应用，从而用以反映：(1)回波信号的反射特性；(2)回波信号的共振吸收特性；(3)回波信号振幅均值或平均数；(4)回波信号振幅均值的标准偏差。

返回信号包括：一组反应回波信号的能量日志(Log)，和一组反应回波信号的频率日志(Log)。为了从数学和统计上评估信号通过时间和空间(距离)共振特性，本发明开发了一系列精确的“度量”属性分析工具它们分析：

(1)信号的反射度；

(2)信号的共振程度；

(3)信号的AVERAGE或MEAN振幅，信号的标准偏差和平均振幅；

(4)信号反射度指标、E-Mean、E-SD

1)信号反射度指标：

E-GAMMA＝(Emax-Emin)/(Emax+Emin))

最大信号差参数(最大能量(％)减去最小能量(％)除以最大信号能量(％)加最小信号能量(％)之和的比率(％)。

2)E-Mean：是所选择的每个量化地面层上信号能量返回的平均度量，是能量响应的基本要素：每个量化地面层的能量平均值：

3)E-SD(Standard Difference)：在每个量化的地层上返回信号的标准差，SD是散射的最可靠的指示，是估计信号能量对平均值的响应部。如果E是每层的典型信号能量返回，Em是该层的平均能量返回，则平均偏差＝＝∑|E-Em|，和标准差或

继续如图1所示，本实施例的所述系统还包括数据存储单元和电源单元，所述数据存储单元与所述信号处理与显示单元连接，用于存储所述信号处理与显示单元接收的回波信号数据和对所述回拨信号数据分析后得到的分析结果数据。所述系统还包括与所述脉冲雷达单元连接的电源单元，以向所述脉冲雷达单元供电。

本发明实施例提供了一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，通过脉冲雷达单元产生宽带脉冲，每个脉冲又一系列所需频率组成多光谱能量波包，该脉冲被馈送到发射天线。一旦信号已发送到发射天线，信号就会发送到接收控制单元，以同步收集地下反射数据，这些数据是通过接收天线从不同的地下岩石层和矿物结构收集的。接收控制单元从接收天线收集回波信号，并将其转换为可以读取并存储在数据记录计算机上的形式，进而由信号处理与显示单元利用信号处理专用软件对回波信号经过转换后得到的回波信号数据进行数据分析，以得到地下待测体的分层以及材料特性，从而可以在保证探测频率的同时兼顾探测深度，实现准确且高效的地质勘探。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述描述的系统、装置、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，为简洁起见，在此不另赘述。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以物理上相互独立，也可以两个或两个以上功能单元集成在一起，还可以全部功能单元都集成在一个处理单元中。上述集成的功能单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件或者固件的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：所述集成的功能单元如果以软件的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，其包括若干指令，用以使得一台计算设备(例如个人计算机，服务器，或者网络设备等)在运行所述指令时执行本发明各实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，实现前述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件(诸如个人计算机，服务器，或者网络设备等的计算设备)来完成，所述程序指令可以存储于一计算机可读取存储介质中，当所述程序指令被计算设备的处理器执行时，所述计算设备执行本发明各实施例所述方法的全部或部分步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种定向脉冲微波束共振深地探测系统，其特征在于，所述系统包括脉冲雷达单元以及与所述脉冲雷达单元连接的发射天线、接收天线以及接收控制单元；所述接收控制单元连接有信号处理与显示单元；

所述脉冲雷达单元产生宽带脉冲，经由所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束；其中，每个脉冲包含多频率组成的多光谱能量波包；

所述接收天线，接收所述波包与所述地下待测体发生共振反应后返回的回波信号，经由所述脉冲雷达单元传输至所述接收控制单元；

所述接收控制单元，用于对所述回波信号进行信号转换为计算机可读取的回波信号数据，并传输至信号处理与显示单元，由所述信号处理与显示单元根据所述回波信号数据分析所述地下待测体的特性。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射天线向地下待测体发射连续的脉冲波束具有包括低频脉冲波包波前驻波和脉冲波包内高频共振波；所述低频脉冲波包波前驻用于实现地下深度的穿透，所述脉冲波包内高频共振波用于提高地下层的垂直分辨率；

脉冲波束的重复频率为：5KHz～100KHz，脉冲波包内高频调制频率在1MHz～1GHz的频率范围内工作。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理与显示单元用于对所述回波信号数据进行广角折射反射分析，以从记录的时间图像中产生深度信息；

分析所述回波信号数据的发射特性、共振吸收特性、回波信号振幅均值或平均数以及回波信号振幅均值的标准偏差。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号处理与显示单元还用于展示所述回波信号数据以及所述回波信号数据的分析结果数据。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述信号处理与显示单元连接，用于存储所述信号处理与显示单元接收的回波信号数据和对所述回拨信号数据分析后得到的分析结果数据。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述脉冲雷达单元连接的电源单元，以向所述脉冲雷达单元供电。

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