CN201498074U - 基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。它包括传输光路I(16)、传输光路II(18)、光路适配器(17)和传感光路(20)；传感光路(20)由各防区的光纤干涉仪构成；光源模块(15)由传输光路I(16)连接光路适配器(17)，光路适配器(17)输出由传输光路II(18)连接传感光路(20)的各个防区的防线，传感光路围绕保护区域一周后再次经过传输光路II(18)接回到光路适配器(17)，光路适配器(17)由传输光路(16)接探测器阵列(21)光输入端，探测器阵列(21)输出端接信号处理器(22)。

Description

基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统

技术领域

本实用新型是一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。

背景技术

区域的安全防范一直以来都是一个重要的问题，诸如军事基地、机场、军械库、油库、油气管道场站和住宅小区等，对这些区域的有效防护至关重要。

目前主要的区域入侵防范技术有基于电的和基于光的两大类；

基于电的技术主要有高压电网技术、泄漏电缆技术等。在某些重要区域边界上设置了高压电网，能在一定程度上对入侵者形成威慑，但高压电网存在安全性差、不具备联动报警功能；使用辐射电磁场的泄漏电缆进行入侵探测时，容易受到雷电等强电磁环境干扰而增加系统误报。

基于光的技术主要有红外线对射报警技术、摄像头监视技术、光纤成像入侵探测技术和光纤传感的入侵探测技术等。其中红外对射报警技术中红外激光束难以准确对准受光器的微小靶心，尤其在雨天和雾霾天气时，会因雨水、雾霾的折射使激光束传播方向产生偏差，晴朗天气时如有落叶、小动物等障碍物阻挡对射途径时就会引发系统报警，而且因不具备一定的隐蔽性使得入侵者极易绕开对射路径，造成报警器失效；对布设方式的要求也较高，一般仅适用于短距离的平坦区域。

摄像头监视技术是目前采用的较多的一种入侵监测模式，摄像头监视由于具有较窄的视野特别是在摄像头侧后面的盲区常常被攀越，而且摄像头监视也常常受到天气的影响而失效。光纤成像入侵探测技术是基于光波在多模光纤中由于不同传输模式之间的干涉形成散斑，散斑图像随外界扰动发生变化，该方式容易受到环境影响形成误报。

光纤传感的入侵探测技术有测量光纤的微弯损耗的，该方法灵敏度低，不适合于动态事件的检测。

光纤传感的入侵探测技术中也有一部分是基于干涉检测原理的，如，中国石油天然气集团公司和中国石油天然气管道局的“光纤安全预警装置”(ZL200620124262.X)实用新型专利。目前，干涉技术方案中的光路系统均为单一干涉仪和单一防线，这些方案同样容易受到环境影响，把环境导致的一些假入侵信号误认为入侵而产生虚警。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种受环境影响小、虚警率低的基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光路系统。

鉴于上述几类安防技术存在的虚警率高、易受环境因素影响等问题，基于光纤干涉技术的区域防入侵系统结合扰动事件的时间、空间特征有针对性的进行了克服。

提高光纤振动传感灵敏度的区域防入侵系统的改进主要是通过光路系统的布设，提高干涉仪对振动信号的感应灵敏度。

基于对振动敏感的光纤干涉仪的区域防入侵光路系统的构成如图14所示，包括：传输光路I 16、传输光路II 18、光路适配器17和传感光路20；传感光路20由各防区的光纤干涉仪构成。

光源15由传输光路I 16连接光路适配器17，光路适配器17输出由传输光路II 18连接传感光路20的各个防区的防线，传感光路围绕保护区域一周后再次经过传输光路II 18接回到光路适配器17，光路适配器17由传输光路16接探测器阵列21光输入端，探测器阵列21输出端接信号处理器22。

其中：

光源15，给干涉仪光路提供一个平稳功率的光载波信号；

探测器阵列21，实现返回光信号的光电转换；

传输光路I 16、传输光路II 18，完成光信号的传输；

光路适配器17，完成光信号的分束和耦合；

传感光路20，即光纤干涉仪，完成振动信号的拾取和发送。

系统的光源15发出的光经过传输光路I 16到达光路适配器17，经过光路适配器17分束后分成n路，分别对应于n个防区；以防区I为例，分束后的光经过传输光路II 18后根据防区I内防线数量的多少再次进行分束，然后进入防区I内每道防线，防区I内传感光路设计为光纤干涉仪，光信号经过防区I内光纤干涉仪后传回，即防区I内的信号光在随后的防区II、III以至防区n都是传输，而不是再次进入光纤干涉仪，围绕保护区域一周后经过传输光路II 18再次进入适配器17，然后经过传输光路I 16传输到探测器阵列21，经过探测器阵列21转换为电信号后传输到信号处理器22进行处理，根据处理结果决定是否发送信号至报警单元23产生报警。

光纤干涉仪的构成是：在保护区域的外围设置多个防区，每个防区设置一个以上的光纤干涉仪，防区之间的光纤干涉仪由光路适配器串联，首端的光纤干涉仪接自光路适配器17，末端的光纤干涉仪再接回光路适配器17。

其中的光纤干涉仪为迈克尔逊干涉仪或者马赫曾德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪和马赫曾德干涉仪的混合使用方式或塞格纳克干涉仪；

光纤干涉仪的具体结构是：

每个防区内的每个光纤干涉仪的结构：在每个防区内，多道干涉仪光路布设时传感子缆可以是全段敏感的结构(见图1)，从母缆1中分出光纤干涉仪2，而后进入母缆1由传输光纤3传回；也可以是在传输子缆内经过一定距离传输后再开始设置干涉仪；多道光纤干涉仪布设时可以将一道光纤干涉仪设置在传输母缆内，从母缆1中分出光纤干涉仪2，而后进入母缆1经传输光纤3传回(见图2)；也可以每道防线均对应于一根传感子缆；从母缆1中分出光纤干涉仪2设置，而后进入母缆1经传输光纤3传回；每个光纤干涉仪的结构是光纤干涉仪的传感臂I 4、光纤干涉仪的传感臂II 5设置在一根光缆内的相同或者不同的束管内；或将光纤干涉仪的传感臂I 4、光纤干涉仪的传感臂II 5设置在不同的光缆内；这两根传感臂分别所在的光缆在空间上为相邻或者交叉或者分隔开；相邻是并排形式(见图4)或者双绞线形式(见图5)；交叉是两根光缆交织构成渔网状的结构形式(见图6)；分隔开是指两根光缆并行安装，两根光缆之间存在有间隔的安装方式(见图7)；

每个光纤干涉仪的光路结构：是直线型或弧线型安装，或者是S型曲线安装，或者螺旋线型曲线安装，或者上述的几种情况的混和形式；

其中：

直线型和弧线型安装是指光纤干涉仪根据区域边界特征设置成直线或者弧线；

S型曲线(见图8)是指光纤干涉仪按照绕S型曲线的形式安装；

螺旋线型曲线(见图9)是指光纤干涉仪沿着螺旋线型曲线安装的一种方式，该螺旋线是平面曲线或者空间立体曲线；

其中S型和螺旋线型曲线安装受振动影响的传感臂长度更长，产生的相位差也更大，因此也具有更高的振动探测灵敏度；

多道防线的结构是：在边界纵深方向上，分别设置多道光纤干涉仪；多道光纤干涉仪分别设置在边界的两侧和边界上；在边界的内侧设置在地面下或者直接裸露在地面上，在边界的外侧设置在地面下；在边界上视边界的类型和特征而定，如边界为栅栏，则沿着栅栏的横带板布设并固定；如边界为铁丝网，则固定在铁丝网上，在铁丝网两侧则埋设在铁丝网下方地面下；如边界由围墙组成时，在围墙的内外两侧和围墙墙体上，分别设置一道或多道光纤干涉仪，其中围墙内外光路埋设在地面下或者直接裸露在地面上，墙体上的光纤干涉仪是在墙体刻槽埋设在墙体内，或在建筑墙时埋设在墙体内，或采用线卡钉直接钉在墙体表面，或采用捆扎的方式将光纤干涉仪捆扎在铁丝网上，或混合采用上述几种固定结构。

为降低区域出入口正常出入导致的系统虚警，本区域防入侵系统采用对区域出入口单独配置防区，并给正常出入的授权人员配备遥控器(见图10)，或在出入口配备密码开关(见图11)，方便授权人员出入保护区域时暂时关闭出入口防区的入侵报警功能；配备遥控开关是在大门的每扇门边上围光纤干涉仪11后由光缆10接区域防入侵系统8，再由区域防入侵系统8经信号线9接遥控信号接收装置7，再配以遥控器6；密码开关是在大门的每扇门边上围光纤干涉仪后由光缆接区域防入侵系统8，再由区域防入侵系统8经信号线接密码输入键盘13。对于前者，在区域防入侵主机设备上连接遥控信号接收装置7，接收到遥控器信号后关闭或打开出入口防区的报警功能；对于后者，在出入口安装密码输入键盘13，并用信号线连接到区域防入侵系统8，输入密码可暂时解除出入口防区的报警功能，授权人员通过后恢复放入侵系统的报警功能。

为有效节省纤芯资源，在采用单波长光源时，不同防区、防线的光信号不能相互混叠，因此当防区数量较大时所需的纤芯数量会较大。为了克服这个问题，本区域防入侵系统提出两种复用纤芯的结构：

第一种是每个防区内各光纤干涉仪的信号光在到达该防区前合用一根光纤传输，如图12所示，其复用纤芯的结构是：光源模块由光纤接适配器I，适配器I输出再接对应防区数量个适配器，每个适配器分别接本防区的两个光纤干涉仪，如防区I的光纤干涉仪I、光纤干涉仪II，防区II的光纤干涉仪III、光纤干涉仪IV等，这些光纤干涉仪的输出一并接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列；

光源模块发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器I分束为多束光，数量与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为跟防线相同数量的多束光，分别进入该防区内各光纤干涉仪。此方案在光源输出端及到达各防区之前进行了光路的复用，可减少使用纤芯数量。

第二种方式为采用波长复用的结构，如图13所示，其复用纤芯的结构是：光源模块接梳状滤波器后再接到各个防区的适配器，各个防区的适配器分接两个光纤干涉仪，如防区I的光纤干涉仪I、光纤干涉仪II，防区II的光纤干涉仪III、光纤干涉仪IV等，各防区相同防线的光纤干涉仪接适配器耦合进同一光纤，接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列；

宽谱光源经过梳状滤波器后分为不同波长的多束光，数量与防区数相同，每一束光经光纤传到对应防区，经适配器分为与该防区内防线数量相同的光束，分别进入各防线的光纤干涉仪，输出的干涉信号经光纤传输至最后一个防区末端；不同防区、同一防线的干涉信号在这里由适配器合束，由一根光纤传回到解波分复用器。该方式可大幅度降低光纤和光缆使用量，降低光路安装难度和成本。

上述由宽谱光源经梳状滤波器获得的多束不同波长的光，也可以使用多个不同波长的窄线宽光源获得。

由上可见：按照保护区域大小和对入侵报警位置信息精度要求不同，区域防入侵光路系统将需保护的区域边界细分为最少一个或多个防区，在每个防区内都按照上述的光路设置方式进行光纤干涉仪的布设，当光纤干涉仪探测到疑似入侵信号时系统产生警戒状态，并在时间上设定一定长度的警戒状态延续时间，在警戒时间内出现综合特征符合入侵行为特征时产生报警。这种结合时间和空间的综合判断能够有效判断出对保护区域的入侵行为，降低系统虚警率，此外对保护区域的边界进行细分可以准确得出入侵发生区域的地理位置，易于实现和其他系统的联动。

该系统抗环境干扰能力强，具有明显的性能优势和广泛的应用前景。区域防入侵光路系统基于对振动的传感实现入侵事件探测，由于地质情况复杂多变，不同地质对振动的吸收衰减差异很大，为了增加系统对不同地质条件的适应性，本光路系统提出了一种不同空间距离间隔布设光纤干涉仪两个传感臂的结构，该结构会形成不同的振动信号探测灵敏度，光纤干涉仪两臂空间间隔越大，所形成的振动信号探测灵敏度越高。

从上述系统的技术方案和工作原理可以看出，本实用新型提出的一种基于光纤干涉技术的区域防入侵光路系统，通过将保护区域边界细分为多个防区实现了入侵事件的准确定位，同时在保护区域边界设置多道防线，根据不同纵深防线探测到的信号情况，能够准确区分入侵事件和随机扰动事件，有效降低了非入侵事件导致的系统虚警，同时采用的光纤干涉技术具有灵敏度高、不受温度、天气等因素影响，抗环境干扰能力强的优点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1子缆全段敏感示意图

图2一道光纤干涉仪设置在母缆示意图

图3在子缆内传输一定距离后开始设置光纤干涉仪示意图

图4并排布设方式示意图

图5双绞线布设方式示意图

图6渔网状网眼布设方式示意图

图7并行布设方式示意图

图8S型线光纤干涉仪布设方式示意图

图9螺旋线光纤干涉仪布设方式示意图

图10遥控开关区域出入口防区示意图

图11密码开关区域出入口防区示意图

图12光源输出端光路复用示意图

图13光源输出波长复用示意图

图14区域防入侵系统原理框图

其中1-母缆                    2-光纤干涉仪

    3-传输光纤                4-光纤干涉仪的传感臂I

    5-光纤干涉仪的传感臂II    6-遥控器

    7-遥控信号接收装置        8-区域防入侵系统

    9-信号线                  10-光缆

    11-光纤传感器             12-围墙

    13-密码输入键盘           14-密码键盘信号线

    15-光源                   16-传输光路I

    17-光路适配器             18-传输光路II

    19-保护区域               20-传感光路

    21-探测器阵列             22-信号处理器

具体实施方式

结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例.本例的构成如图14所示，包括：光源15、传输光路I 16、传输光路II 18、光路适配器17、探测器阵列21和传感光路20；传感光路20为光纤干涉仪。

光源15由传输光路I 16连接光路适配器17，光路适配器17输出由传输光路II 18连接传感光路的各个防区，传感光路围绕保护区域一周后再次经过传输光路II 18接回到光路适配器17，光路适配器17由传输光路I 16接探测器阵列21光输入端，探测器阵列21输出端接信号处理器22。

首先根据要保护的区域特征和用户要求进行防区数量、防线数量设计，如图14所示保护的区域，设置n个防区、三道防线，在每一个防区内，都有平行于边界的两道防线，这两道防线在纵深上间隔开，每道防线由一路马赫曾德干涉仪组成，光缆采用普通通信光缆，安装方式为在同一根光缆内设置传感臂和参考臂，布设方式取为直线型；光源15发出的光经过传输光路I 16到达光路适配器17，经过光路适配器17形成不同的分束后分别传给不同的防区、防线，防区内防线光路设计为干涉型光路，每路光信号都仅仅进入一次干涉仪光路，干涉仪光路外的部分均为传输，光信号围绕保护区域一周后，最后经过传输光路II 18再次进入光路适配器17，然后再经传输光路I 16传输到探测器阵列21，转换为电信号后传输到信号处理器22进行处理，当探测到的信号特征具备有入侵事件特征时报警。

其中：

光路适配器17选1×n分束器；

光源15选DFB激光器；

光电探测器阵列21选OPC380。

为降低区域出入口正常出入导致的系统虚警，本例采用一种对区域出入口单独配置防区，并给正常出入的授权人员配备遥控器(见图10)的方法，方便授权人员出入保护区域时暂时关闭出入口防区的入侵报警功能；其构成是在大门的每扇门边上围光纤干涉仪11后由光缆10接区域防入侵系统8，再由区域防入侵系统8经信号线9接遥控信号接收装置7，再配以遥控器6；在区域防入侵主机设备上连接遥控信号接收装置7，接收到遥控器信号后关闭或打开出入口防区的报警功能。

为有效节省纤芯资源，在采用单波长光源时，不同防区、防线的光信号不能相互混叠，否则就无法准确区分出扰动信号的来源，因此当防区数量较大时所需的纤芯数量会较大。为了克服这个问题，本例复用纤芯的结构：

采用每个防区一根光源传输纤芯，如图12所示，其复用纤芯的结构是：光源由光纤接适配器I，适配器I输出再接对应防区数量个适配器II、适配器III等，每个适配器分别接本防区的两个光纤干涉仪，如防区I的光纤干涉仪I、光纤干涉仪II，防区II的光纤干涉仪III、光纤干涉仪IV等，这些光纤干涉仪的输出一并接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列；

光源模块发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器I分束为多束光，数量与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为多束光，分别进入该防区内各光纤干涉仪。此方案在光源输出端及到达各防区之前进行了光路的复用，可减少使用纤芯数量。

在传感光路区域内，若存在入侵扰动时，会引起两传感臂之间的相位差发生变化，进而形成干涉信号，通过信号处理器对干涉信号进行分析，对保护区域边界可疑扰动事件特征进行判别，如果信号特征符合入侵行为特征模式时系统产生报警，如果信号特征和入侵行为特征模式不相符时，系统不予报警，以此系统不仅实现对区域入侵事件的探测而且有效降低了虚警率。

本例经多次试验，通过在保护区域的边界上布设的振动敏感光纤干涉仪能够实现对边界任何扰动行为的探测，加上在时间和空间上综合判断所拾取的扰动行为是否具有入侵特征，极大程度上降低了偶发事件导致的系统虚警率，如果具有入侵特征则系统产生报警，同时给出入侵事件发生的防区位置信息，如果和其它设备联动时提供驱动信号，完成对其它设备的信号传输。

Claims (10)

1.一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是它包括传输光路I(16)、传输光路II(18)、光路适配器(17)和传感光路(20)；传感光路(20)由各防区的光纤干涉仪构成；

光源(15)由传输光路I(16)连接光路适配器(17)，光路适配器(17)输出由传输光路II(18)连接传感光路(20)的各个防区的防线，传感光路围绕保护区域一周后再次经过传输光路II(18)接回到光路适配器(17)，光路适配器(17)由传输光路(16)接探测器阵列(21)光输入端，探测器阵列(21)输出端接信号处理器(22)；

系统的光源(15)发出的光经过传输光路I(16)到达光路适配器(17)，经过光路适配器(17)分束后分成n路，分别对应于n个防区；各防区内防线光路为光纤干涉仪，光信号经过各防区内光纤干涉仪后传回，前面防区内形成的信号光在经过后续的防区时仅为传输，围绕保护区域一周后经过传输光路II(18)再次进入适配器(17)，然后经过传输光路I(16)传输到探测器阵列(21)，经过探测器阵列(21)转换为电信号后传输到信号处理器(22)进行处理，根据处理结果决定是否发送信号产生报警。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是所述光纤干涉仪的构成是：在保护区域的外围设置多个防区，每个防区设置一个以上的光纤干涉仪，防区之间的光纤干涉仪由光路适配器(17)串联，首端的光纤干涉仪接自光路适配器(17)，末端的光纤干涉仪再接回光路适配器(17)。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是所述光纤干涉仪为迈克尔逊干涉仪或者马赫曾德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪和马赫曾德干涉仪的混合使用方式或塞格纳克干涉仪。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是所述光纤干涉仪的传感臂I(4)、光纤干涉仪的传感臂II(5)设置在一根光缆内的相同或者不同的束管内；或将干涉仪两臂设置在不同的光缆内；这两根光缆在空间上为相邻或者交叉或者分隔开；相邻是并排形式或者双绞线形式；交叉是两根光缆交织构成渔网状的网眼的结构形式；有一定程度分离是指两根光缆并行设置，两根光缆之间存在有一个距离间隔的设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是所述光纤干涉仪是直线型或弧线型设置或者是S型曲线设置或者螺旋线型曲线设置或者几种的混和形式。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是所述各个防区的防线为设置一道以上的光纤干涉仪构成多道防线；多道防线的结构是在边界纵深方向上，分别设置一道或多道光纤干涉仪；多道光纤干涉仪分别设置在边界的两侧和边界上在边界的内侧设置在地面下或者直接裸露在地面上，在边界的外侧设置在地面下；其中栅栏边界，则沿着栅栏的横带板布设并固定；铁丝网边界，则固定在铁丝网上，在铁丝网两侧则埋设在铁丝网下方地面下；围墙边界，在围墙的内外两侧和围墙墙体上，分别设置一道或多道光纤干涉仪，其中围墙内外光纤干涉仪埋设在地面下或者直接裸露在地面上，墙体上的光纤干涉仪是在墙体刻槽埋设在墙体内，或在建筑墙时埋设在墙体内，或采用线卡钉直接钉在墙体表面，或采用捆扎的方式将光纤干涉仪捆扎在铁丝网上，或混合采用上述几种固定结构。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是在每个防区内，多道光纤干涉仪的传感子缆是全段敏感结构，从母缆(1)中分出光纤干涉仪(2)设置，而后进入母缆(1)经传输光纤(3)传回；或是在传感子缆内经过一定距离传输后再开始设置光纤干涉仪；多道光纤干涉仪布设时是将一道光纤干涉仪设置在传输母缆内，从母缆(1)中分出光纤干涉仪(2)，而后进入母缆(1)经传输光纤(3)传回；或每道防线均对应于一根传感子缆，从母缆(1)中分出光纤干涉仪(2)，而后进入母缆(1)经传输光纤(3)传回。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是还采用一种通过对区域出入口单独配置防区，在该防区配备遥控开关或在出入口配备密码开关；

所述配备遥控开关方式是在大门的每扇门边上布设光纤干涉仪(11)后由光缆(10)接区域防入侵系统(8)，再由区域防入侵系统(8)经信号线(9)接遥控信号接收装置(7)，再配以遥控器(6)；

所述密码开关是在大门的每扇门边上围光纤干涉仪后由光缆接区域防入侵系统(8)，再由区域防入侵系统(8)经信号线接密码输入键盘(13)。

9.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是采用每个防区一根光源传输纤芯结构，光源模块(15)由光纤接适配器I，适配器I输出再接对应防区数量个适配器，每个适配器分别接本防区的两个光纤干涉仪，这些光纤干涉仪的输出一并接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列(21)；

光源模块(15)发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器1分束为多束光，数量与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为多束光，分别进入该防区内各光纤干涉仪。

10.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵光路系统，其特征是采用波长复用的结构，光源模块接梳状滤波器后再接到各个防区的适配器，各个防区的适配器分接两个光纤干涉仪，各防区光纤干涉仪的传感臂接一适配器，参考臂接一适配器，该两个适配器输出接光缆接头盒后接解波分复用器，解波分复用器输出接探测器阵列；

宽谱光源经过梳状滤波器后分为不同波长的多束光，数量与防区数相同，每一束光经光纤传到对应防区，经适配器分为与该防区内防线数量相同的光束，分别进入各防线的光纤干涉仪，输出的干涉信号经光纤传输至最后一个防区末端；不同防区、同一防线的干涉信号在这里由适配器合束，由一根光纤传回到解波分复用器。

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