CN202195827U - 一种融合光纤布里渊频移器的超远程脉冲编码分布式光纤布里渊传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器是利用脉冲编码原理,光纤的布里渊散射频移效应,光纤受激拉曼散射和布里渊光放大效应,相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成传感器。包括波形发生器,窄线宽单频光纤激光器,两个光纤分路器,脉冲编码光调制器,光纤布里渊频移器,两个光纤环行器,掺饵光纤放大器,偏振扰模器,光纤窄带反射滤波器,光纤泵浦-信号耦合器,光纤拉曼泵浦激光器,单模传感光纤,光纤滤波器,光电接收、放大器模块,两个数字信号处理器,光电外差、接收、放大器模块和计算机。该传感器能有效提高入射传感光纤的激光脉冲光子数,改善传感器系统的信噪比,提高测量距离、测量精度和空间分辨率。
Description
技术领域
本实用新型涉及分布式光纤布里渊传感器,尤其是融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器。
背景技术
在光纤布里渊光时域分析器领域,张在宣提出一种新型的《光纤布里渊光时
域分析器》(中国发明专利:ZL200810063711.8)用光纤宽带非线性光放大效应和相干放大的布里渊散射光的应变、温度效应和光时域分析原理制成的光纤布里渊光时域分析器,解决了T.Horiguchi等发明的布里渊光时域分析器中,窄带探测激光器和窄带泵浦激光器的频率锁定的难题。为了提高布里渊光时域分析器(BOTDA)和布里渊光时域反射器(BOTDR)的测量精度,国内外学者采用微波发生器或通过电光或声光调制器微波频移器等降低本地激光器信号( )频率的技术方案,实现射频波段的相干检测技术。中国计量学院张在宣等提出采用光纤布里渊频移器将本地信号的频率移到传感光纤的背向布里渊回波信号频段,使探测信号与本地信号由微波波段的外差接收技术降为射频波段的相干检测技术(张在宣等《一种融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器》,中国实用新型专利,专利号:201020634326.7,2011年6月29日授权)。中国计量学院余向东,张在宣等提出将脉冲编码技术应用于全分布式光纤传感器,提高了传感系统的信噪比(余向东,张在宣等提出的《采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器》(中国发明专利:201010169596.X,2011年6月授权), 融合光纤受激拉曼散射和布里渊散射放大技术,光纤受激布里渊散射效应与脉冲编码技术可有效地提高测量距离和测量精度,满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测,对超远程全分布式光纤应变、温度传感网的迫切需求。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种脉冲编码技术与融合光纤布里渊频移器的超远程分布式光纤布里渊传感器。
本实用新型的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,包括波形发生器,窄线宽单频光纤激光器,第一光纤分路器,脉冲编码光调制器,光纤布里渊频移器,第一光纤环行器,掺饵光纤放大器,偏振扰模器,第二光纤环行器,光纤窄带反射滤波器,光纤泵浦-信号耦合器,光纤拉曼泵浦激光器,单模传感光纤,光纤滤波器,第二光纤分路器,光电接收、放大器模块,第一数字信号处理器,光电外差、接收、放大器模块,第二数字信号处理器和计算机,光纤布里渊频移器是由环行器,单模光纤和光纤F-P滤波器依次相连组成;波形发生器的输入端与计算机相连,波形发生器的输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连,第一光纤分路器的输入端与窄线宽单频光纤激光器相连,第一光纤分路器的一个输出端与光纤布里渊频移器中的环行器输入端相连,第一光纤分路器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个输入端相连,脉冲编码光调制器的输出端经掺饵光纤放大器与偏振扰模器的输入端相连,偏振扰模器的输出端与第二光纤环行器的输入端相连,第二光纤环行器的一个输出端接光纤窄带反射滤波器的输入端,光纤窄带反射滤波器的输出端与光纤泵浦-信号耦合器的输入端相连,光纤泵浦-信号耦合器的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器,光纤泵浦-信号耦合器的另一个输出端与单模传感光纤连接,光纤拉曼泵浦激光器与单模传感光纤构成前向泵浦光纤拉曼放大器;第二光纤环行器的另一个输出端接光纤滤波器的输入端,光纤滤波器的输出端与第二光纤分路器的输入端相连,第二光纤分路器的一个输出端与光电接收、放大器模块的输入端相连,第二光纤分路器的另一个输出端与第一光纤环行器一个输入端相连,光电接收、放大器模块的输出端与第一数字信号处理器的输入端相连,第一数字信号处理器的输出端接计算机,由第一数字信号处理器和计算机将采集、累加的传感光纤的布里渊散射强度比信息解码、解调,得到传感光纤各点上的温度及温度变化信息,第一光纤环行器的另一个输入端与光纤布里渊频移器中的环行器输出端相连,第一光纤环行器的输出端与光电外差接收、放大器模块的输入端相连,光电外差接收、放大器模块的输出端与第二数字信号处理器的输入端相连,第二数字信号处理器的输出端接计算机,由第二数字信号处理器和计算机将采集、累加的传感光纤的布里渊散射频移信息解码、解调,得到传感光纤各点上的应变及温度信息。
本实用新型中,所述的窄线宽单频光纤激光器是中心波長为1550nm,光谱线宽为3kHz,边模抑制比>65dB,输出功率达0-20mW可调的连续运行光纤激光器。
本实用新型中,所述的脉冲编码光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器(Mach–Zehnder modulator(MZM))。
本实用新型中,光纤布里渊频移器中的单模光纤可以是2km、3km或5km单模光纤。光纤布里渊频移器中的光纤F-P滤波器是窄带反射F-P滤波器,它的中心波长为1550.08nm,光谱宽度0.1nm,反射率达99%,只反射单模光纤中的斯托克斯布里渊散射信号。
本实用新型中,所说的光纤拉曼泵浦激光器是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉曼激光器,光谱宽度为0.1nm,功率100mw-1200mw范围可调。它与单模传感光纤组成一个C波段增益可调的前向泵浦光纤拉曼放大器,取代BOTDA中的光纤布里渊放大器对光纤中传输的布里渊散射信号进行相干放大,总增益可达55dB,增强了信号,降低了光纤传输损耗。
本实用新型中,所说的第一光纤分路器的分光比为50:50;第二光纤分路器的分光比为50:50。
本实用新型中,所说的单模传感光纤可以是100km的G652通讯单模光纤或LEAF光纤。
本实用新型中,所说的光纤窄带反射滤光器的中心波长为1465nm,光谱宽度为0.3nm,对1465nm瑞利散射光的隔离度>45dB。光纤窄带反射滤光器抑制1465nm光纤拉曼泵浦激光器在单模传感光纤中产生的背向瑞利散射,避免1465nm瑞利散射光干扰传感光纤中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影响。
本实用新型中,所述的光纤滤波器的中心波长为1550.08nm,光谱宽度为0.1nm,损耗<0.3dB对1550nm瑞利散射光的隔离度>35dB的光纤光栅。避免1550nm瑞利散射光干扰传感光纤中布里渊散射光测量的影响。
本实用新型中,所说的光电接收、放大器模块和光电外差接收、放大器模块分别是InGaAs光电雪崩二极管与放大器组成的模块。由于本地信号-ν B 与回波信号-ν B’ 差频的频率处于百兆赫芝频段,普通的InGaAs光电雪崩二极管频率响应能满足检测要求。
本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的,S矩阵转换是标准哈达马得(Hadamard)转换的一种变式,也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成,这一特点很适用于激光序列脉冲编码,在实际应用中可用“O”代表激光器关闭,用“1”代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。
由编码原理推导得知,采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为:
(1)
由(1)式可知,信噪比改善随着编码位数的提高而提高。
光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定,由于采用多脉冲发射,在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率,并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成OTDR曲线的变形。
光纤布里渊频移器的工作原理:
窄线宽单频光纤激光器发出的激光进入光纤布里渊频移器中的单模光纤,激光与光纤相互作用,产生瑞利散射,布里渊散射和拉曼散射。在光纤中,入射光纤的探测激光与光纤中声波的非线性相互作用,光波通过电致伸缩产生声波,引起光纤折射率的周期性调制(折射率光栅),产生布里渊散射光子,称为光纤布里渊(Brillouin)散射效应。光纤布里渊散射是入射光子ν0与光纤分子相互作用的非弹性碰撞,参与的是声学声子,声子的频率为11GHz,高频端ν0+Δν为反斯托克斯布里渊散射,低频端ν0-Δν为斯托克斯布里渊散射。斯托克斯布里渊散射的阈值远低于反斯托克斯布里渊散射,当入射激光达到一定阈值时,入射光绝大部分转化为背向斯托克斯布里渊散射光ν0-Δν,实现了入射光的频移,将探测激光频移了Δν,构成光纤布里渊频移器。
光纤受激拉曼放大工作原理:
当频率为ν0入射激光与光纤分子产生非线性相互作用散射,放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子ν=ν0-Δν,吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子ν=ν0+Δν,光纤分子的声子频率Δν为13.2THz。
ν=ν0±Δν (2)
放大器的开关增益为
其中为泵浦频率处的光纤损耗,L为光纤长度,对于光纤拉曼放大器,泵浦功率只有超过某一阈值时,才有可能会对信号产生受激拉曼放大,在光纤里的斯托克斯波ν=ν0-Δν在光纤介质内快速增加,大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光,并有拉曼放大作用,这种受激拉曼散射现象相干放大了在光纤中背向传输的布里渊散射光,增益可以抑制布里渊散射光在光纤里的传输损耗,提高全分布式光纤布里渊传感器的工作距离。
分布式光纤布里渊传感器的工作原理:
在光纤中,入射光纤的探测激光与光纤中声波的非线性相互作用,光波通过电致伸缩产生声波,引起光纤折射率的周期性调制(折射率光栅),产生频率上、下移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光,在光纤中产生的背向布里渊散射的频移ν B 为:
ν B
=2nv/λ (5)
其中n为入射光波长λ处的折射率,v为光纤中声速,当λ=1550nm时,ν B 约为11GHz。光纤中产生背向反斯托克斯与斯托克斯布里渊散射光。
(7)
布里渊散射光的频移
其中频移的应变系数Cνε和温度系数CνΤ为
光纤中布里渊散射的强度也具有应变和温度效应,光纤中布里渊散射的强度比
也依赖于光纤的应变和温度
(9)
其中强度比的应变系数CPε和温度系数CPΤ为
由(9)式,只要测量出光纤上各段频移和强度比可解调出此段光纤的应变δε和温度差δΤ。
工作时,窄带单频光纤激光器输出的连续激光经第一光纤分路器分成两朿,其中一朿激光经过光纤布里渊频移器中的光纤F-P滤波器产生-ν B 光纤斯托克斯布里渊散射光,作为BOTDR和BOTDA的本地信号,式中ν B 为光纤布里渊频移,约为11GHz。第一光纤分路器的另一束经脉冲编码调制器调制成时间序列编码脉冲光,再经掺饵光纤放大器放大,通过偏振扰模器,进入单模传感光纤,与单模传感光纤发生非线性相互作用,产生背向布里渊散射光,布里渊散射光的频率与强度受单模传感光纤各段的温度和应变调制。通过光纤泵浦-信号耦合器,光纤拉曼泵浦激光器产生的强激光泵浦输入单模传感光纤,构成前向泵浦光纤拉曼放大器,在单模传感光纤里产生拉曼放大,得到相干放大的布里渊散射光, 被相干放大的布里渊散射光ν0-νB’经光纤窄带反射滤波器滤除1465nm光纤拉曼泵浦激光器在单模传感光纤里激光泵浦后背向残存的光,通过第一光纤环行器,将来自第二光纤分路器的带有温度和应变信息的单模传感光纤的背向布里渊回波信号与来自光纤布里渊频移器的本地信号-ν B 混频,混频后的输出经光电外差接收、放大器模块,送入计算机控制的第二数字信号处理器解码解调,得到光纤上各段上应变和温变引起的频移量;第二光纤分路器的另一路背向布里渊回波信号经光电接收、放大器模块进行光电变换后送入计算机控制的第一数字信号处理器,得到的斯托克斯布里渊散射信号的强度比,再经计算机应变、温变双解软件解码解调后得到在光纤中各段的应变和温度量,应变和温度变化速度和方向,利用光时域反射对单模传感光纤上各段的位置进行定位(光纤雷达定位),经过应变和温度定标,得到100km单模光纤各段的应力和温度变化量,测应变精度为20με,测温精度±1oC,测量时间60s,由计算机显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。
本实用新型的优点:
本实用新型提出的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码全分布式光纤布里渊传感器,采用脉冲编码技术得到时间序列的编码激光脉冲,有效地提高激光脉冲的光子数,提高了传感器系统的信噪比;采用光纤布里渊频移器取代参考光纤将微波波段十吉赫芝频段相干外差检测挪到几十兆赫芝频段检测,实现了几十兆赫芝频段外差相干检测取代十吉赫芝频段外差相干检测,降低了外差相干检测的技术难度,大幅度地降低了成本,改善了系统的信噪比和稳定性,光纤拉曼泵浦激光器与单模传感光纤组成一个C波段增益可调的前向泵浦光纤拉曼放大器,取代BOTDA中的光纤布里渊放大器对光纤中传输的布里渊散射信号进行相干放大,增强了信号,布里渊散射线的增益达55dB,降低了光纤传输损耗,提高了系统的信噪比,提高了应变和温度同时测量的精度。
附图说明
图1为本实用新型的融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器的示意图。
具体实施方式
参照图1,融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,包括波形发生器9,窄线宽单频光纤激光器10,第一光纤分路器11,脉冲编码光调制器12,光纤布里渊频移器13,第一光纤环行器14,掺饵光纤放大器15,偏振扰模器16,第二光纤环行器17,光纤窄带反射滤波器18,光纤泵浦-信号耦合器19,光纤拉曼泵浦激光器20,单模传感光纤21,光纤滤波器22, 第二光纤分路器23,光电接收、放大器模块24,第一数字信号处理器25,光电外差、接收、放大器模块26,第二数字信号处理器27和计算机28,光纤布里渊频移器13是由环行器13-1,单模光纤13-2和光纤F-P滤波器13-3依次相连组成;波形发生器9的输入端与计算机28相连,波形发生器9的输出端与脉冲编码光调制器12的一个输入端相连,第一光纤分路器11的输入端与窄线宽单频光纤激光器10相连,第一光纤分路器11的一个输出端与光纤布里渊频移器13中的环行器13-1输入端相连,第一光纤分路器11的另一个输出端与脉冲编码光调制器12的另一个输入端相连,脉冲编码光调制器12的输出端经掺饵光纤放大器15与偏振扰模器16的输入端相连,偏振扰模器16的输出端与第二光纤环行器17的输入端相连,第二光纤环行器17的一个输出端接光纤窄带反射滤波器18的输入端,光纤窄带反射滤波器18的输出端与光纤泵浦-信号耦合器19的输入端相连,光纤泵浦-信号耦合器19的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器20,光纤泵浦-信号耦合器19的另一个输出端与单模传感光纤21连接,光纤拉曼泵浦激光器20与单模传感光纤21构成前向泵浦光纤拉曼放大器;第二光纤环行器17的另一个输出端接光纤滤波器22的输入端,光纤滤波器22的输出端与第二光纤分路器23的输入端相连,第二光纤分路器23的一个输出端与光电接收、放大器模块24的输入端相连,第二光纤分路器23的另一个输出端与第一光纤环行器14一个输入端相连,光电接收、放大器模块24的输出端与第一数字信号处理器25的输入端相连,第一数字信号处理器25的输出端接计算机28,由第一数字信号处理器25和计算机28将采集、累加的传感光纤21的布里渊散射强度比信息解码、解调,得到传感光纤21 各点上的温度及温度变化信息,第一光纤环行器14的另一个输入端与光纤布里渊频移器13中的环行器13-1输出端相连,第一光纤环行器14的输出端与光电外差接收、放大器模块26的输入端相连,光电外差接收、放大器模块26的输出端与第二数字信号处理器27的输入端相连,第二数字信号处理器27的输出端接计算机28,由第二数字信号处理器27和计算机28将采集、累加的传感光纤21的布里渊散射频移信息解码、解调,得到传感光纤21各点上的应变及温度信息。
上述的窄线宽单频光纤激光器采用深圳飞米激光技术有限公司高掺杂特种光纤制成的短腔窄线宽1550nmNFFL型窄线宽单频光纤激光器。
窄线宽单频光纤激光器10通过光纤布里渊频移器13中的单模光纤后产生的激光和-ν B 光纤背向斯托克斯布里渊散射光,经光纤F-P滤波器滤掉的激光,得到的-ν B 光纤斯托克斯布里渊散射光,作为BOTDR和BOTDA的本地信号,式中ν B 为光纤布里渊频移,约为11GHz。采用光纤布里渊频移器取代参考光纤将微波波段十吉赫芝频段相干外差检测挪到几十兆赫芝频段检测。
脉冲编码光调制器12是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器(Mach–Zehnder modulator(MZM)),由波形发生器9送出的按S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动。也适用于其它位数的编码,例如:127位等。
光电接收、放大器模块和光电外差接收、放大器模块均釆用杭州欧忆光电科技有限公司的HZOE-GDJM-2型光电接收模块。
第一数字信号处理器釆用杭州欧忆光电科技有限公司的100MHz带宽,250MS/s釆集率的HZOE-SP01型信号处理卡; 第二数字信号处理器27釆用杭州欧忆光电科技有限公司的100MHz带宽,250MS/s釆集率的HZOE-SP02型带有FFT变换器的信号处理卡。
Claims (9)
1.一种融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征是
包括波形发生器(9),窄线宽单频光纤激光器(10),第一光纤分路器(11),脉冲编码光调制器(12),光纤布里渊频移器(13),第一光纤环行器(14),掺饵光纤放大器(15),偏振扰模器(16),第二光纤环行器(17),光纤窄带反射滤波器(18),光纤泵浦-信号耦合器(19),光纤拉曼泵浦激光器(20),单模传感光纤(21),光纤滤波器(22), 第二光纤分路器(23),光电接收、放大器模块(24),第一数字信号处理器(25),光电外差、接收、放大器模块(26),第二数字信号处理器(27)和计算机(28),光纤布里渊频移器(13)是由环行器(13-1),单模光纤(13-2)和光纤F-P滤波器(13-3)依次相连组成;波形发生器(9)的输入端与计算机(28)相连,波形发生器(9)的输出端与脉冲编码光调制器(12)的一个输入端相连,第一光纤分路器(11)的输入端与窄线宽单频光纤激光器(10)相连,第一光纤分路器(11)的一个输出端与光纤布里渊频移器(13)中的环行器(13-1)输入端相连,第一光纤分路器(11)的另一个输出端与脉冲编码光调制器(12)的另一个输入端相连,脉冲编码光调制器(12)的输出端经掺饵光纤放大器(15)与偏振扰模器(16)的输入端相连,偏振扰模器(16)的输出端与第二光纤环行器(17)的输入端相连,第二光纤环行器(17)的一个输出端接光纤窄带反射滤波器(18)的输入端,光纤窄带反射滤波器(18)的输出端与光纤泵浦-信号耦合器(19)的输入端相连,光纤泵浦-信号耦合器(19)的一个输出端接光纤拉曼泵浦激光器(20),光纤泵浦-信号耦合器(19)的另一个输出端与单模传感光纤(21)连接,光纤拉曼泵浦激光器(20)与单模传感光纤(21)构成前向泵浦光纤拉曼放大器;第二光纤环行器(17)的另一个输出端接光纤滤波器(22)的输入端,光纤滤波器(22)的输出端与第二光纤分路器(23)的输入端相连,第二光纤分路器(23)的一个输出端与光电接收、放大器模块(24)的输入端相连,第二光纤分路器(23)的另一个输出端与第一光纤环行器(14)一个输入端相连,光电接收、放大器模块(24)的输出端与第一数字信号处理器(25)的输入端相连,第一数字信号处理器(25)的输出端接计算机(28),由第一数字信号处理器(25)和计算机(28 )将采集、累加的传感光纤(21)的布里渊散射强度比信息解码、解调,得到传感光纤(21)上各点的温度和温度变化信息,第一光纤环行器(14)的另一个输入端与光纤布里渊频移器(13)中的环行器(13-1)输出端相连,第一光纤环行器(14)的输出端与光电外差接收、放大器模块(26)的输入端相连,光电外差接收、放大器模块(26)的输出端与第二数字信号处理器(27)的输入端相连,第二数字信号处理器(27)的输出端接计算机(28 ),由第二数字信号处理器(27)和计算机(28 )将采集、累加的传感光纤(21)的布里渊散射频移信息解码、解调,得到传感光纤(21)上各点的应变及温度信息。
2.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于所说的窄线宽单频光纤激光器(10)是中心波長为1550nm,光谱线宽为3kHz,边模抑制比>65dB,输出功率为0-20mW可调的连续运行光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于脉冲编码光调制器(12)是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于光纤布里渊频移器(13)中的单模光纤(13-2)是2km、3km或5km单模光纤; 光纤布里渊频移器(13)中的光纤F-P滤波器(13-3)是窄带反射F-P滤波器。
5.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于光纤拉曼泵浦激光器(20)是中心波长为1465nm连续运行的光纤拉曼激光器,光谱宽度为0.1nm,功率100mw-1200mw范围可调。
6.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于第一光纤分路器(11)的分光比为50:50; 第二光纤分路器(23)的分光比为50:50。
7.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于单模传感光纤(21)为100km的G652通讯单模光纤或LEAF光纤。
8.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于光纤窄带反射滤波器(18)的中心波长为1465nm,光谱宽度为0.3nm,对1465nm瑞利散射光的隔离度>45dB。
9.根据权利要求1所述的融合光纤布里渊频移器的脉冲编码分布式光纤布里渊传感器,其特征在于光纤滤波器(22)的中心波长为1550.08nm,光谱宽度为0.1nm,损耗<0.3dB对1550nm瑞利散射光的隔离度>35dB的光纤光栅。
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