CN116106846A - 基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法 - Google Patents

基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法,系统包括:PCIe数据采集模块,将采集卡采集的雷达原始AD数据封装成指定的数据格式,经光纤传输到服务器中;多线程间通信模块,用于实现不同处理线程间的信息同步和数据交互;信号处理模块,用于对回波数据进行信号处理获得目标点迹信息;数据处理模块,用于对信号处理后的点迹进行航迹处理获得航迹信息。方法基于上述系统实现雷达的信号处理和航迹处理;网口通信模块,用于实现程序与上位机之间的数据收发通信。本发明能实现高准确性、高可靠性、高实时性的雷达信号处理和数据处理,并实现处理结果的实时显示,适应性广。

Description

基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法
技术领域
本发明属于雷达信息处理领域,特别涉及一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法。
背景技术
近年来,随着雷达技术的不断发展,雷达系统的体积不断减小,但数据处理能力却大幅提升,这促使雷达的功能更全、性能更高。更高的性能带来的是对信号传输速率与信号存储容量更高的要求,雷达天线不断接收回波信号,需要实时进行雷达信号处理和数据处理,实现对目标的探测与跟踪,也需要实时对数据进行采集和存储。
目前雷达的信号处理和数据处理主要包括信号采样、数字滤波、数字下变频、数字波束形成、脉冲压缩、动目标检测、恒虚警、目标凝聚、点迹预处理、航迹起始、航迹关联、航迹消亡等过程,出于满足恶劣环境及保障人员安全需要,雷达信号处理和数据处理机往往并不与雷达天线等一体化设计。通常是由雷达天线接收雷达回波数据后,经过AD采样,将数字信号传输给信号采集板卡,实现数据的采集和存储,同时也传送至后方雷达信号处理和数据处理机完成雷达信息处理任务。
传统的FPGA+DSP的雷达信息处理系统因受制作工艺、开发成本、功耗等因素的制约,性能提升有限。目前市面上雷达信号处理与数据处理系统大多是分开完成的,即分在了不同的处理器上执行,虽然可以提高一定的性能,但是会增加板卡尺寸、增大功耗、提高产品生产成本,而且需要额外设计不同处理器间的数据传输模块,增加了系统开发难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统及方法,具有低复杂度、高准确性、高可靠性、高实时性以及适应性广等特点。
实现本发明目的的技术解决方案为:第一方面,本发明提供一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,包括:PCIE数据采集模块、多线程间通信模块、信号处理模块、数据处理模块、网口通信模块以及上位机显控模块;
所述PCIe数据采集模块,用于将倒置后的单路串行数据通过乒乓结构的2组DDR3、金手指和服务器的PCIe3.0插槽传输到服务器的内存中;
所述多线程间通信模块,用于实现Qt不同处理线程间的信息同步和数据交互;
所述信号处理模块,用于对采集板卡传输的雷达原始AD数据经过波束形成、脉冲压缩、动目标检测MTD、恒虚警、点迹凝聚、测角处理,获得目标点迹信息,包括目标的距离、速度和方位;
所述数据处理模块,用于对信号处理后的点迹进行航迹处理获得目标航迹信息;
所述网口通信模块,用于实现程序与上位机之间的数据收发通信,包括雷达工作参数的获取、雷达回波信号处理结果与数据处理结果的发送;
进一步地,所述网口通信模块使用Qt Network模块来编写基于TCP/IP的网络通信程序。
进一步地,所述PCIe数据采集模块包括:
双口RAM,用于映射bar空间,使服务器和FPGA板卡进行交互通信;
DDR模块,两组DDR组成乒乓结构,交替从FIFO中取出数据,再送入XDMA模块;
XMDA模块,用于配置PCIe3.0的参数,以及提供接口,使得数据通过金手指到PCIe3.0插槽,再到服务器并最终传输到服务器内存中。
进一步地,所述多线程间通信模块使用Qt信号与槽的机制实现,实现Qt不同处理线程间的信息同步和数据交互。
进一步地,所述信号处理模块包括:
波束形成单元,用于在期望的角度方向获取增益,抑制干扰;
脉冲压缩单元,用于提取回波中的距离时延目标信息;
动目标检测单元,用于区分动目标和固定杂波信息;
恒虚警检测模块,用于保持信号检测时虚警率恒定;
目标凝聚模块,用于将恒虚警检测模块处理得到的目标信息凝聚为点迹信息;
测角模块,用于测量目标相对于雷达在方位和俯仰上的角度。
进一步地,所述数据处理模块包括:预处理单元、点迹与航迹关联跟踪单元、航迹终结单元和航迹起始单元;其中,
点迹预处理单元,用于剔除不在雷达处理范围内的点迹,且对相邻波位内的量测进行点迹的滑窗凝聚,并进行坐标系转换;
点迹与航迹关联跟踪模块,用于从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹,同时利用该点迹更新可靠航迹,并将该点迹删除;
航迹起始模块,用于建立临时航迹,且对临时航迹进行关联跟踪,并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头。
航迹消亡模块,用于删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹。
进一步的,所述上位机显控模块,用于对信号处理和数据处理后得到的点航迹信息在界面上进行实时显示,并实时监控雷达工作状态和工作参数信息。
第二方面,本发明提供一种基于上述基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统的处理方法,包括以下步骤:
步骤1,信号处理模块通过服务器内存接收PCIE数据采集模块采集到的雷达回波数据;
步骤2,信号处理模块对接收到的数据依次进行波束形成、脉冲压缩、动目标检测、恒虚警、目标凝聚以及测角处理,获得目标点迹信息,包括目标的距离、速度和方位角、俯仰角等信息;
步骤3,数据处理模块对信号处理后的点迹依次进行点迹预处理、航迹起始、点迹与航迹关联跟踪和航迹消亡处理,获得目标航迹信息;
步骤4,网口通信模块将步骤2获得的目标点迹信息和步骤3获得的目标航迹信息传输至上位机进行显示,完成雷达系统对目标的检测与跟踪;
在上述过程中,多线程间通信模块实现不同线程处理前的握手工作,各线程处理过程中的数据交互,以及最后处理完成的信息交互工作;
进一步地,步骤3所述数据处理模块对信号处理后的点迹依次进行点迹预处理、航迹起始、点迹与航迹关联跟踪、航迹消亡处理,获得目标航迹信息,具体过程包括:
步骤3-1,进行点迹预处理,具体是根据雷达的距离处理范围、速度处理范围,剔除不在所述处理范围内的点迹并进行坐标系转换;
步骤3-2,进行点迹与航迹关联跟踪,具体是从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹,同时利用该点迹更新可靠航迹,并将该点迹删除;
步骤3-3,进行航迹起始处理,具体是建立临时航迹,且对临时航迹进行关联跟踪,并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头;其中关联跟踪与步骤3-2的过程相同;
步骤3-4,进行航迹消亡处理,具体是删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹;
进一步地,步骤3-2所述进行点迹与航迹关联跟踪的具体过程包括:
步骤3-2-1,计算点迹与每一条可靠航迹的统计距离;
步骤3-2-2,将统计距离小于预设距离的点迹作为可靠航迹的候选回波;
步骤3-2-3,筛选候选回波中统计距离最小的点迹;
步骤3-2-4,对统计距离最小的点迹与可靠航迹进行卡尔曼滤波,更新可靠航迹。
第三方面,本发明提供一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现第二方面所述的方法的步骤。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)本发明的多线程运行方案将接口通信、信号处理和数据处理集成在一个Qt进程上执行,其中的每个线程处理不同的任务,满足雷达系统的高实时性要求,降低了系统处理时间和开发成本;(2)本发明的PCIe数据采集模块,可以实现回波数据到服务器内存的搬移工作,极大的节省了数据传输时间,提高了系统运行的实时性;(3)本发明的信号处理模块,通过恒虚警、目标凝聚等一系列处理单元能有效抑制杂波及干扰,删除虚假点迹,进一步提高了目标信息的准确性和可靠性;(4)本发明的航迹处理模块,通过预处理、关联跟踪、航迹起始等一系列处理单元能对经信号处理后的若干扫描周期的量测集进行运动轨迹和相关参数的估计,形成稳定的目标航迹并预测下一时刻的位置,实现对运动目标高精度的实时跟踪;(5)本发明的网口通信模块,通过网口实现与上位机之间的通信,能够适应大批量高速数据传输场合。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统的结构框图。
图2为图1所示系统中PCIe数据采集模块的结构框图。
图3为图1所示系统中信号处理模块流程图。
图4为图1所示系统中数据处理模块流程图。
具体实施方式
结合图1,本发明提供了一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,包括:PCIE数据采集模块、多线程间通信模块、信号处理模块、数据处理模块、网口通信模块以及上位机显控模块;
所述PCIe数据采集模块,用于将倒置后的单路串行数据通过乒乓结构的2组DDR3、金手指和服务器的PCIe3.0插槽传输到服务器的内存;
所述多线程间通信模块,用于实现Qt程序不同处理线程间的信息同步和数据交互;
所述信号处理模块,用于对雷达回波数据进行波束形成、脉冲压缩、动目标检测MTD、恒虚警检测CFAR和目标凝聚等信号处理的工作,获得目标点迹信息,包括目标的距离、速度和方位角;
所述数据处理模块,用于对信号处理后的点迹进行航迹数据处理获得目标航迹信息;
所述网口通信模块,用于实现程序与上位机之间的数据收发通信,包括雷达工作参数的获取、雷达回波信号处理结果与数据处理结果的发送;
所述上位机显控模块,用于对信号处理和数据处理后得到的点航迹信息在界面上进行实时显示,并实时监控雷达工作状态和工作参数等信息。
进一步的,在其中一个实施例中,所述PCIe数据采集模块包括:
双口RAM,用于映射bar空间,使得服务器可以和FPGA采集板卡进行简单交互通信;
DDR模块,两组DDR组成乒乓结构,交替从FIFO中取出数据,再送入XDMA模块;
XMDA模块,主要是用于配置PCIe3.0的参数,以及提供接口,使得数据可以通过金手指到PCIe3.0插槽,再到服务器并最终传输到服务器内存中。
作为一种具体示例,结合图2,PCIe数据采集模块的具体工作方式如下:
S11,采用8片型号为MT41K256M16的DDR芯片,4片一组构成两个DDR组,每组DDR数据位宽64bit,共用12根地址线。DDR组从FIFO中读取256M的数据,再送入XDMA模块;
S12,两组DDR形成乒乓结构,1组DDR往XDMA中传输数据的时候,另一组DDR就从FIFO中读取数据,随后再交替进行,乒乓结构保证数据的读取和写入可以同时进行;
S13,通过FPGA配置XDMA核,时钟为250MHz,传输速率为PCIe3.0,通道为8,设备号为7038,该IP核负责将数据通过金手指传输给服务器的PCIe3.0卡槽,再送入服务器,上位机每次DMA读取的数据大小就是256M,对应DDR读取的数据大小;
S14,整体的逻辑控制通过双口RAM和控制模块进行,双口RAM映射bar空间,当服务器的上位机发出开始采集的指令,会写入bar空间,控制模块也能从双口RAM中读到该信号,并开始对应的逻辑;切换DDR通道也是如此进行。
所述服务器采集模块,其中固态磁盘阵列和RAID阵列卡构成系统的数据存储模块;RAID阵列卡选用LSI公司的RAID9271CV-8IRAID阵列卡,通过PCIe3.0插槽和服务器互联,通过SATA线与固态磁盘阵列相连,组合方式为RAID0,实现高速大容量的存储要求;固态磁盘阵列由8块三星850PRO256GB固态硬盘组成阵列,单块固态硬盘的读写速率为500MB/s,通过RAID0的方式组成磁盘阵列的读写速率高达4GB/s,满足系统数据传输的速率要求。上位机在服务器中开辟两块内存A和B,与PCIe传输模块中的DDR3乒乓结构对应,当A组DDR3通过PCIe传输模块向内存A中写数据时,上位机通过DMA从B内存中读数据到磁盘阵列进行存储,该操作接收后,B组DDR3通过PCIe传输模块向内存B中写数据时,上位机通过DMA将之前A内存中的数据读取到磁盘阵列进行存储,保证上位机内存与DDR3不会出现对一块空间进行同时读写。至此完成光纤数据的采集和存储。
进一步地,在其中一个实施例中,多线程间通信模块使用信号与槽机制实现。使用signal/slot机制,把数据从一个处理线程传递到另外一个处理线程。
作为一种具体示例,首先在Widget主线程的基础上建立3个子线程,不同子线程之间或者子线程和主线程之间的数据交互流程为:子线程调用emit()函数发送元数据类型的参数,通过connect(sender,signal,receiver,slot)的机制完成线程间通信。
进一步地,在其中一个实施例中,结合图3,信号处理模块包括波束形成、脉冲压缩、距离维FFT和速度维FFT模块、恒虚警模块、目标凝聚模块和测角模块;其中,
波束形成模块,用于在期望的角度方向获取增益,抑制干扰;
脉冲压缩模块,用于提取回波中的距离时延目标信息;
距离维和速度维FFT模块,用于计算距离维和速度维的多普勒单元;
恒虚警模块,用于保持信号检测时虚警率恒定;
目标凝聚模块,用于将恒虚警模块处理得到的目标信息凝聚为点迹信息;
测角模块,用于测量目标相对于雷达在方位和俯仰上的角度。
作为一种具体示例,假设雷达工作模式为低空监视模式,信号形式为宽脉冲长10us和窄脉冲长1us的复合信号,一个CPI内距离门有1600个,速度门有32个,具体工作方式如下:
恒虚警模块对动目标检测后的矩阵使用自适应门限,超过门限的数据保留并确定为目标点,低于门限的数据置为0并确定为杂波,解决了漏检率、虚警概率高等问题;
目标凝聚模块将恒虚警后得到的相邻目标点进行合并,凝聚成一个点目标,将处理后的两个数据矩阵中的非零值所对应的横坐标转化为目标的距离信息,纵坐标转化为目标的速度信息;
测角模块将和通道中目标凝聚后获得的目标幅值与对应的差通道中获得的目标幅值相比,根据该比值从雷达传感器的鉴角曲线中获得每个目标点在方位和俯仰上的角度信息。
进一步地,在其中一个实施例中,数据处理模块对信号处理后的点迹依次进行预处理、点迹与航迹关联跟踪、航迹终结和航迹起始处理,获得目标航迹信息;其中,
点迹预处理模块,用于剔除不在雷达处理范围内的点迹,且对相邻波位内的量测进行点迹的滑窗凝聚,并进行坐标系转换;
点迹与航迹关联跟踪模块,用于从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹,同时利用该点迹更新可靠航迹,并将该点迹删除;
航迹起始模块,用于建立临时航迹,且对临时航迹进行关联跟踪,并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头。
航迹消亡模块,用于删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹;
作为一种具体示例,结合图4,假设信号处理模块传输了一批点迹,数据处理模块首先将点迹存储,具体工作方式如下:
点迹预处理模块根据雷达的测距范围225~5025m和测速范围-30~30m/s首先删除不在处理范围内的点迹,将剩余点迹在极坐标系下的信息转为直角坐标系下的信息。
点迹与航迹关联跟踪模块计算剩余点迹与每一条航迹的统计距离,统计距离小于10的点迹成为航迹的候选回波,利用NNSF算法筛选候选回波中统计距离最小的点迹与航迹进行卡尔曼滤波,更新航迹状态,将该被用于更新航迹的点迹从点迹文件中删除。
航迹消亡模块对每条航迹计算信号处理模块传输的量测时间和航迹时间的差,删除时间差值超过5倍数据率的航迹。
航迹起始模块存储了长度为1和2的航迹,对剩余点迹与临时航迹进行关联判断,与点迹关联上的长度为2的临时航迹转为可靠航迹,连续2个扫描周期内没有与任何点迹关联上的临时航迹被撤销,未与临时航迹关联上的点迹成为新的航迹头。
进一步地,在其中一个实施例中,网口通信模块使用QT网络编程处理器,Qt网络编程提供了大量的API用于网络操作,API为特定的操作和协议提供了一个抽象层。主要有如下三个核心类:QNetworkRequest网络请求、QNetworkReply请求响应和QNetworkAccessManager操作管理。
作为一种具体示例,利用QtNetwork模块实现网口数据的收发的软件编写,QtNetwork模块提供了编写TCP/IP客户端和服务器的类。例如QFtp类实现了具体的应用层协议,而QTcpSocket、QTcpServer和QUdpSocket这三个类则实现了底层网络概念,可通过上位机软件配置网络参数和端口参数。其中网络参数可通过自动向具有DHCP SERVER功能的网关设备获取参数,包括当前选中模块的MAC地址、IP地址、子网掩码、默认网关等。端口参数包括网络模式、本地端口、目标IP、目的端口、串口参数等。简单的通过上位机配置软件设置后,即可通过计算机网口与雷达系统进行通信。
作为一种具体示例,网口通信模块中,向上位机发送如下信息用于显示:(1)每个波束内的所有点迹;(2)更新航迹的相关状态信息;(3)删除航迹号和航迹信息。上位机向雷达发送如下信息以控制雷达:(4)相关控制指令,包括工作模式、信号形式、方位调转0~360°、高低覆盖500m、俯仰层数1~12等其它与雷达前端波控、伺服和频综有关的命令;(5)终端要求手动撤销的航迹批号。
本发明能够实现高准确性、高可靠性、高实时性的雷达信号处理和数据处理,且能够通过上位机对雷达参数进行控制,并实现信号处理和数据处理结果的实时显示,适应性广。

Claims (10)

1.一种基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,包括:PCIE数据采集模块、多线程间通信模块、信号处理模块、数据处理模块、网口通信模块以及上位机显控模块;
所述PCIe数据采集模块,用于将倒置后的单路串行数据通过乒乓结构的2组DDR3、金手指和服务器的PCIe3.0插槽传输到服务器的内存;
所述多线程间通信模块,用于实现Qt不同处理线程间的信息同步和数据交互;
所述信号处理模块,用于对采集板卡传输的雷达原始AD数据经过波束形成、脉冲压缩、动目标检测MTD、恒虚警、点迹凝聚、测角处理,获得目标点迹信息,包括目标的距离、速度和方位;
所述数据处理模块,用于对信号处理后的点迹进行航迹处理获得目标航迹信息;
所述网口通信模块,用于实现程序与上位机之间的数据收发通信,包括雷达工作参数的获取、雷达回波信号处理结果与数据处理结果的发送。
2.根据权利要求1所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,所述PCIe数据采集模块包括:
双口RAM,用于映射bar空间,使服务器和FPGA板卡进行交互通信;
DDR模块,两组DDR组成乒乓结构,交替从FIFO中取出数据,再送入XDMA模块;
XMDA模块,用于配置PCIe3.0的参数,以及提供接口,使得数据通过金手指到PCIe3.0插槽,再到服务器并最终传输到内存中处理。
3.根据权利要求1所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,所述信号处理模块包括波束形成单元、脉冲压缩单元、动目标检测单元、恒虚警单元、目标凝聚单元和测角单元;其中,
波束形成单元,用于在期望的角度方向获取增益,抑制干扰;
脉冲压缩单元,用于提取回波中的距离时延目标信息;
动目标检测单元,用于区分动目标和固定杂波信息;
恒虚警单元,用于保持信号检测时虚警率恒定;
目标凝聚单元,用于将恒虚警单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息;
测角单元,用于测量目标相对于雷达在俯仰上的角度。
4.根据权利要求1所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,所述数据处理模块包括点迹预处理单元、点迹与航迹关联跟踪单元、航迹起始单元和航迹消亡单元;其中,
点迹预处理单元,用于剔除不在雷达处理范围内的点迹,且对相邻波位内的量测进行点迹的滑窗凝聚,并进行坐标系转换;
点迹与航迹关联跟踪单元,用于从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹,同时利用该点迹更新可靠航迹,并将该点迹删除;
航迹起始单元,用于建立临时航迹,且对临时航迹进行关联跟踪,并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头;
航迹消亡单元,用于删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹。
5.根据权利要求1所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,所述网口通信模块使用Qt Network模块来编写基于TCP/IP的网络通信程序。
6.根据权利要求1所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统,其特征在于,所述上位机显控模块,用于对信号处理和数据处理后得到的点航迹信息在界面上进行实时显示,并实时监控雷达工作状态和工作参数信息。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的基于Qt的雷达信号处理和数据处理系统的处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,信号处理模块通过服务器内存接收PCIE数据采集模块采集到的雷达回波数据;
步骤2,信号处理模块对接收到的数据依次进行波束形成、脉冲压缩、动目标检测、恒虚警、目标凝聚以及测角处理,获得目标点迹信息,包括目标的距离、速度和方位角信息;
步骤3,数据处理模块对信号处理后的点迹依次进行点迹预处理、航迹起始、点迹与航迹关联跟踪和航迹消亡处理,获得目标航迹信息;
步骤4,网口通信模块将步骤2获得的目标点迹信息和步骤3获得的目标航迹信息传输至上位机进行显示,完成雷达系统对目标的检测与跟踪;
在上述过程中,多线程间通信模块实现不同线程处理前的握手工作,各线程处理过程中的数据交互,以及最后处理完成的信息交互工作。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,步骤3所述的数据处理模块对信号处理后的点迹依次进行点迹预处理、航迹起始、点迹与航迹关联跟踪、航迹消亡处理,获得目标航迹信息,具体包括:
步骤3-1,进行点迹预处理,具体是剔除不在雷达处理范围内的点迹,且对相邻波位内的量测进行点迹的滑窗凝聚,并进行坐标系转换;
步骤3-2,进行点迹与航迹关联跟踪,具体是从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹,同时利用该点迹更新可靠航迹,并将该点迹删除;
步骤3-3,进行航迹起始处理,具体是建立临时航迹,且对临时航迹进行关联跟踪,并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头;其中关联跟踪与步骤3-2的过程相同;
步骤3-4,进行航迹消亡处理,具体是删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,步骤3-2所述的进行点迹与航迹关联跟踪的具体过程包括:
步骤3-2-1,计算点迹与每一条可靠航迹的统计距离;
步骤3-2-2,将统计距离小于预设距离的点迹作为可靠航迹的候选回波;
步骤3-2-3,筛选候选回波中统计距离最小的点迹;
步骤3-2-4,对统计距离最小的点迹与可靠航迹进行卡尔曼滤波,更新可靠航迹。
10.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7-9中任一所述的方法的步骤。
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