DE112005003573T5 - Phased-Array-Radarantenne, welche eine verminderte Suchzeit hat, und Verfahren zur Benutzung derselben - Google Patents

Phased-Array-Radarantenne, welche eine verminderte Suchzeit hat, und Verfahren zur Benutzung derselben Download PDF

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Abstract

Phased-Array-Radarantenne, welche mindestens zwei Antennen (11, 12, 13, 14) umfasst, welche für ein gleichzeitiges Betreiben bei gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen ausgebildet sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Phased-Array-Radarantennen, insbesondere für Luft-gestütztes Radar.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Phased-Array-Antennen (Phasengesteuertes-Feld-Antennen) sind in der Technik wohlbekannt für große Bandbreite, geringe Energieverluste, und haben die Fähigkeit, bei mehreren Frequenzen in einer gegebenen Strahlrichtung zu strahlen. Die Nutzung der Erfindung ist somit nicht beabsichtigt, auf einen bestimmten Typ von Flugzeug beschränkt zu sein. Somit ist unbeachtlich der Größe oder des Typs von Flugzeug irgendeine Art von Radarsystem erforderlich. Langreichweitiges Radar mit 360°-Überdeckung erfordert eine große Antenne, welche oberhalb des Flugzeugrumpfes angebracht ist, um eine Flugwerk-Interferenz zu minimieren, und erfordert eine hohe Leistung, um die erforderliche langreichweitige Detektion zu ergeben. Diese beiden Anforderungen sind so weit zu einem gewissen Ausmaß wechselseitig inkompatibel gewesen, da eine oberhalb des Flugzeugrumpfes angebrachte große Antenne zu einem beträchtlichen Luftwiderstand führt und verbunden mit den Hochleistungsanforderungen des langreichweitigen Radars konnte lediglich ein großes Flugzeug benutzt werden.
  • US Patent Nr. 5,097,267 (Raviv), veröffentlicht am 17. März 1992, ausgestellt an den vorliegenden Anmelder und betitelt "Airborne early warning Radarsystem", offenbart ein luftübertragenes Frühwarn-Radarsystem, welches ein automatisch gesteuertes pilotenloses Flugzeug umfasst, eine Phased-Array-Radarantenne, welche in dem pilotenlosen Flugzeug angeordnet ist und eine Vorrichtung, um selektiv die Orientierung der Phased-Array-Radarantenne relativ zu dem Flugzeug zu verändern.
  • Alle bekannten AEW (luftübertragene Frühwarn-) -Systeme, AWACS, ERIEVE, CONDOR, und WEDGETAIL umfassend, sind auf der traditionellen Architektur eines Ein-Band-Radars basiert worden. AWACS setzt eine mechanisch rotierende Antenne ein, während die anderen Systeme eine elektronisch abgetastete fixe Feldantenne der in dem oben erwähnten US Patent Nr. 5,097,267 beschriebenen Art einsetzen.
  • In dem mechanisch rotierenden System ist die Zeit, welche erforderlich ist, eine volle 360°-Abtastung zu erreichen, abhängig von der Zeit, welche gebraucht ist, um die mechanische Antenne durch eine vollständige 360°-Umdrehung zu steuern. Obwohl die Steuerung einer Phased-Array-Radarantenne elektronisch ist, ist nichtsdestotrotz eine vollständige elektronische Abtastung erforderlich, um eine volle 360°-Überdeckung zu erreichen. Jedes Mal, wenn das Radar einen Punkt im Raum aufgespürt hat, wird derselbe Punkt für das Radar während des momentanen Zyklus' nicht "sichtbar". Das heilt, je länger eine vollständige Abtastung braucht, um so leichter ist es für einen Feind, dass Radar zu durchdringen, da er mehr Zeit hat, abzuschneiden und wenn er so getan hat, wird umso mehr Zeit vergehen, bis er für das Radar während einer darauffolgenden Abtastung sichtbar wird. Folglich ist es wünschenswert, die Zeit für eine vollständige 360°-Abtastung zu vermindern.
  • US Patent Nr. 4,870,426 (Lamberty et al.), veröffentlicht am 26. September 1989, und betitelt "Dual band antenna element", offenbart ein Antennenelement, welches eine Niedrig-Band-Wellenleiter und ein Feld von parallelen, dual-polarisierten Höher-Band-Wellenleitern und Dipolen umfasst, welche innerhalb oder direkt angrenzend an eine Öffnung des Niedrig-Band-Wellenleiters angebracht sind. Der Niedrig-Band-Wellenleiter und jeder Höher-Band Wellenleiter haben eine Querschnittsdimension von weniger als 0,5 mal die Wellenlänge.
  • US Patent Nr. 4,743,907 (Gellekink), veröffentlicht am 10. Mai 1988, und betitelt "Radarsystem operating in two frequency hands", offenbart ein Radarsystem für Ziel-Nachverfolgung eines geringen Levels und umfasst eine erste und eine zweite Radarvorrichtung, wobei beide bei ihren eigenen Frequenzen arbeiten, aber ein und dieselbe Antenne zur Nachverfolgung einsetzen.
  • US Patent Nr. 4,276,551 (Williams et al.), veröffentlicht am 30. Juni 1981, und betitelt "Electronically scanned antenna", offenbart elektronisch abgetastete Antennen, welche eine Mehrzahl von Frequenz-abgetasteten Antennen-Abschnitten umfassen, wobei jeder dieser eine Mehrzahl von strahlenden Elementen und eine Mehrzahl von Phasenversetzern hat, welche individuell an die Antennen-Abschnitte gekoppelt sind. Solch eine Anordnung benutzt Dual-Frequenz zum Steuern des Radarstrahles, setzt aber nicht verschiedene Abtastfrequenzen ein.
  • Es gibt keine Anregung in den obigen Referenzen, um eine Phased-Array-Antenne einzusetzen, welche mindestens zwei zyklisch auswählbare Antennen-Couplets umfasst, wobei jede ein Paar von benachbarten Antennen umfasst, welche für gleichzeitigen Betrieb bei verschiedenen Frequenzen ausgebildet sind.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kompaktere Phased-Array-Radarantenne bereitzustellen, welche erlaubt, dass eine vollständige 360°-Überdeckung erreicht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Dieses Ziel wird in Übereinstimmung mit einem breiten Aspekt der Erfindung durch eine Phased-Array-Radarantenne realisiert, welche mindestens zwei Antennen umfasst, welche für gleichzeitigen Betrieb bei verschiedenen gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen ausgebildet sind.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Phased-Array-Radarantenne für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei die Phased-Array-Antenne umfasst eine erste und eine zweite Radar-Seitenantenne, welche zum Anbringen an entsprechenden Seiten eines Fahrzeuges ausgebildet sind; eine erste und eine zweite Radar-Endantenne, welche zum Anbringen an entsprechende Enden des Fahrzeuges ausgebildet sind; und eine Radar-Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, an die erste und zweite Radar-Seitenantenne und die erste und zweite Radar-Endantenne zu koppeln, um die erste oder die zweite Radar-Seitenantenne gleichzeitig mit der ersten oder der zweiten Radar-Endantenne bei einer ersten bzw. einer davon verschiedenen zweiten Frequenz zu betreiben.
  • Die erste und zweite Radar-Seitenantenne und die erste und zweite Radar-Endantenne können dazu ausgebildet sein, 360° zu überdecken. In einer typischen Anwendung erlauben solche Phased-Array-Radarantennen, dass eine volle 360°-Überdeckung in kürzerer Zeit erreicht wird als Phased-Array-Radarantennen, welche nur eine einzige Suchfrequenz einsetzen. Die Phased-Array-Radarantenne gemäß der Erfindung kann jedoch auch eingesetzt werden, um eine volle oder weniger als eine 360°-Überdeckung in derselben Zeit zu erreichen als eine bisher vorgeschlagene Phased-Array-Radarantenne in einer kompakteren Einheit.
  • Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Radar-Abtasten unter Benutzung mindestens zweier Radar-Phased-Array-Antennen, welche an entsprechenden Flächen des Fahrzeuges angebracht sind, um so eine Überdeckung in verschiedenen Richtungen bereitzustellen, wobei das Verfahren ein gleichzeitiges Betreiben von mindestens zwei der Antennen bei verschiedenen gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen umfasst.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Um die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt wird, wird eine bevorzugte Ausführungsform nur zum Zwecke eines nicht begrenzenden Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen nun beschrieben, in welchen:
  • 1 eine bildliche Repräsentation ist, welche ein Flugzeug zeigt, welches mit einer Phased-Array-Radarantenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist;
  • 2 ein Blockdiagramm ist, welches funktional ein Phased-Array-Radarantennensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3 ein Flussdiagramm ist, welches einen Betrieb des funktional in 2 gezeigten Phased-Array-Radarantennensystems zeigt; und
  • 4 bis 6 bildhafte Repräsentationen sind, welche zeigen, wie Dual-Frequenz-Abtastung einer Phased-Array-Radarantenne gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung implementiert ist.
  • Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
  • 1 ist eine bildhafte Repräsentation, welche ein Flugzeug zeigt, welches mit Phased-Array-Radarantennen ausgestattet ist. Eine erste Radar-Seitenantenne 11 ist dazu ausgebildet, an einer Seite des Flugzeugrumpfes angebracht zu sein, und eine zweite Radar-Seitenantenne 12 (in 2 gezeigt) ist dazu ausgebildet, an einer gegenüberliegenden Seite des Flugzeugrumpfes angebracht zu sein. Eine erste Radar-Endantenne 13 ist dazu ausgebildet, an einem Bug des Flugzeugs (sein Vorderende bildend) angebracht zu sein und eine zweite Radar-Endantenne 14 ist dazu ausgebildet, an ein Heck des Flugzeugs (seine Rückseite bildend) angebracht zu sein.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, welches funktional ein Phased-Array-Radarantennensystem 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das System 20 umfasst eine Radar-Steuereinheit 15, welche dazu ausgebildet ist, an die erste und zweite Radar-Seitenantenne 11, 12 und an die erste und zweite Radar-Endantenne 13, 14 zu koppeln, um die erste oder zweite Radar-Seitenantenne gleichzeitig mit der ersten oder zweiten Radar-Endantenne gleichzeitig bei einer ersten bzw. einer davon verschiedenen, gegenseitig nicht interferierenden zweiten Frequenz zu betreiben. Die Radar-Steuereinheit 15 ist an eine Anzeige 16 gekoppelt, um verarbeitete Daten anzuzeigen.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Betrieb des in 2 gezeigten Phased-Array-Radarantennensystems 20 zeigt. Somit ist eine volle 360°-Überdeckung dadurch erreicht, dass aufeinanderfolgende benachbarte Paare von Antennen bei verschiedenen Frequenzen betrieben werden. Als ein Beispiel betreibt die Radar-Steuereinheit 15 während einer ersten Fläche einer Überdeckung die erste Seitenantenne 11 bei einer ersten Frequenz gleichzeitig mit der ersten Endantenne 13 bei einer zweiten Frequenz. Dies stellt eine Überdeckung von 180° bereit, wie bildhaft in 4 gezeigt ist. Eine zweite Fläche einer Überdeckung, welche ebenso 180° überspannt, wird dann durch Betreiben der zweiten Seitenantenne 12 bei der ersten Frequenz gleichzeitig mit der zweiten Endantenne 14 bei der zweiten Frequenz erreicht. Da zwei Antennen gleichzeitig betrieben werden, beträgt die Zeit, um eine vollständige 360°-Abtastung zu erreichen, ungefähr die Hälfte der Zeit, welche unter Benutzung eines Radarsystems mit einer einzigen Frequenz erforderlich ist, wo jede Antenne diskret betrieben werden muss. Wenn dieselbe Abtastzeit aufrechterhalten wird, kann die Leistungsfähigkeit des Radar-Bereichs einer einzigen Frequenz erreicht werden, während die Antennendimensionen vermindert sind. Da die Seitenantennen 11, 12 eine viel größere Fläche haben als die Endantennen 13, 14, muss die erste Frequenz, mit welcher die Endantennen arbei ten, entsprechend höher sein als die zweite Frequenz, mit welcher die Seitenantennen arbeiten, um so die stark verminderte Basisfläche der Endantennen zu kompensieren. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die erste Frequenz im S-Band und die zweite Frequenz im L-Band.
  • 4 zeigt bildlich eine praktische Winkelüberdeckung der Antennen, wenn die Seitenantennen 11 und 12 im L-Band und die Bug- und Heckantenne 13 und 14 im S-Band betrieben werden. Es ist erkennbar, dass die Winkelüberdeckung der Seitenantennen 11 und 12 ungefähr zweimal die der Bug- und Heckantennen 13 und 14 ist. Dadurch kann das S-Band eine genügende Leistungsfähigkeit relativ zu dem L-Band trotz der verminderten Dimensionen erreichen.
  • Es sollte bemerkt werden, dass die Frequenzen, bei welchen auf der einen Seite die Seitenantennen 11 und 12 und auf der anderen Seite die Bug- und Heckantenne 13 und 14 betrieben werden, genügend verschieden sein müssen, um eine gegenseitige Interferenz zu verhindern. In der Praxis kann dies erfordern, dass die Frequenzen nicht überlappende Frequenzbänder besetzen, obwohl Frequenzen an entgegengesetzten Extremen des Frequenzbandes genügend verschiedenen sein können, um gegenseitig nicht zu interferieren.
  • Obwohl die Erfindung mit besonderer Hinsicht auf ein Flugzeug-Frühwarnradarsystem beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung auch auf andere Fahrzeug-Frühwarnradarsysteme anwendbar ist und dieselben Prinzipien können z.B. auf Schiffe und andere Fahrzeuge angewendet werden. Wenn dies gesagt wird, wird nichtsdestotrotz bemerkt, dass die besonderen Vorteile der Erfindung gegenüber bisher vorgeschlagenen Frühwarnradarsystemen in Flugzeugfrühwarnsystemen besonders manifest sind auf Grund des Bedarfs, ein Radarsystem bereitzustellen, welches eine geringe aerodynamische Basisfläche bietet. In der Erfindung ist dies auf Grund der ebenen Konstruktion der zwei Seitenantennen 11 und 12 erreicht, was ihnen verleiht, an dem Rumpf des Flugzeugs angebracht zu werden, ohne die Aerodynamik des Flugzeugs zu beeinflussen. Ähnlich haben die beiden Endantennen 13 und 14, welche dazu konfiguriert sind, bei einer höheren Frequenz zu arbeiten, eine geringe Basisfläche, welche es ihnen erlaubt, in einem geeignet geformten Radom an dem Vorder- und Rückende des Flugzeugs angebracht zu werden, welches speziell entworfen ist, um eine glatte aerodynamische Kontur bereitzustellen. Die mechanische Konstruktion der Radome ist innerhalb der Fähigkeit der Fachleute in der betreffenden Technik und ist kein Merkmal der Erfindung. Klarerweise sind solche Überlegungen weniger wichtig für See-bezogene Anwendungen.
  • Obwohl eine besondere Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, welche vier Antennen einsetzt, wird geschätzt werden, das die Prinzipien der Erfindung allgemeiner auf die Benutzung von zwei oder mehr Antennen angewendet werden können, welche gleichzeitig bei verschiedenen gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen betrieben werden. Zum Beispiel können zwei Antennen jeweils konfiguriert sein, um eine Überdeckung von nicht überlappenden 180°-Abschnitten bereitzustellen, um so zu erlauben, dass beide Antennen gleichzeitig betrieben werden, um dadurch die Zeit zu halbieren, eine volle 360°-Überdeckung zu erreichen. Wie in 5 gezeigt, können ähnlich drei Antennen F1, F2 und F3 jede konfiguriert sein, um eine Überdeckung von nicht überlappenden 120°-Abschnitten bereitzustellen, um so zu erlauben, dass die Antennen gleichzeitig bei entsprechenden gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen betrieben werden, um dadurch die Zeit um einen Faktor 3 zu vermindern, um eine volle 360°-Überdeckung zu erreichen.
  • Es sollte bemerkt werden, dass, während die Erfindung mit besonderer Hinsicht auf eine volle 360°-Überdeckung beschrieben worden ist, nicht immer eine volle 360°-Überdeckung erforderlich ist. Zum Beispiel zeigt 6 zwei Antennen L1 und S1, welche dazu ausgebildet sind, gleichzeitig bei entsprechenden gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen betrieben zu werden, um so in Kombination eine Teilüberdeckung von 180° bereitzustellen. Zu dem Ausmaß, dass solch eine verminderte Überdeckung durch Betreiben von zwei oder mehr Antennen gleichzeitig bei verschiedenen gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen er reicht ist, ist dies auch durch die vorliegende Erfindung umfasst.
  • Es wird auch durch die Fachleute der Technik verstanden werden, dass die Erfindung in gleicher Weise sowohl für ein bemanntes als auch für ein unbemanntes Flugzeug anwendbar ist.
  • Die Erfindung sieht auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, vor, welches mit dem Radarsystem gemäß der Erfindung konstruiert ist.
  • Es wird auch verstanden werden, dass das Radarsystem 20 gemäß der Erfindung einen geeignet programmierten Computer umfassen kann. Ähnlich sieht die Erfindung ein Computerprogramm vor, welches von einem Computer lesbar ist, um das Verfahren der Erfindung auszuführen. Die Erfindung sieht weiter einen maschinenlesbaren Speicher vor, welcher greifbar ein Programm von Anweisungen verkörpert, welches durch die Maschine ausführbar ist, um das Verfahren der Erfindung auszuführen.
  • Zusammenfassung
  • Eine Phased-Array-Radarantenne umfasst mindestens zwei Antennen (11, 12, 13, 14), welche für gleichzeitigen Betrieb bei zwei gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen ausgebildet sind. Die Phased-Array-Radarantenne kann an einem Flugzeug angebaut sein, welches einem Rumpf hat, welcher die erste und zweite Radar-Seitenantenne (11, 12) an seinen gegenüberliegenden Seiten haltert, einen Bugbereich, welcher eine erste Radar-Endantenne (13) haltert und einen Heckbereich, welcher eine zweite Radar-Endantenne (14) haltert. Entsprechende Radome überdecken die erste und zweite Radar-Endantenne, um so eine glatte dynamische Kontur bereitzustellen, und eine Radar-Steuereinheit (15) ist innerhalb des Rumpfes angeordnet und an die erste und zweite Radar-Seitenantenne und an die erste und zweite Radar-Endantenne gekoppelt, um die erste oder zweite Radar-Seitenantenne gleichzeitig mit der ersten oder zweiten Radar-Endantenne bei einer ersten bzw. einer davon verschiedenen zweiten Frequenz zu betreiben.

Claims (13)

  1. Phased-Array-Radarantenne, welche mindestens zwei Antennen (11, 12, 13, 14) umfasst, welche für ein gleichzeitiges Betreiben bei gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen ausgebildet sind.
  2. Phased-Array-Radarantenne gemäß Anspruch 1, welche mindestens zwei zyklisch auswählbare Antennen-Couplets umfasst, wobei jedes ein Paar von benachbarten Antennen (11, 14; 12, 13) umfasst, welche zum gleichzeitigen Betreiben bei verschiedenen Frequenzen ausgebildet sind.
  3. Phased-Array-Radarantenne gemäß Anspruch 2, welche zum Anbringen an ein Fahrzeug (10) konfiguriert ist, wobei die Phased-Array-Antenne umfasst: eine erste und eine zweite Radar-Seitenantenne (11, 12), welche zum Anbringen an entsprechende Seiten eines Fahrzeugs ausgebildet sind; eine erste und eine zweite Radar-Endantenne (13, 14), welche zum Anbringen an entsprechende Enden des Fahrzeugs ausgebildet sind; und eine Radar-Steuereinheit (15), welche zum Koppeln an die erste und die zweite Radar-Seitenantenne und an die erste und die zweite Radar-Endantenne ausgebildet ist, um die erste oder zweite Radar-Seitenantenne gleichzeitig mit der ersten oder zweiten Radar-Endantenne bei einer ersten bzw. einer davon verschiedenen zweiten gegenseitig nicht interferierenden Frequenz zu betreiben.
  4. Phased-Array-Radarantenne gemäß Anspruch 3, wobei die erste Frequenz im L-Band und die zweite Frequenz im S-Band liegt.
  5. Phased-Array-Radarantenne gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Fahrzeug ein Flugzeug ist und die erste und zweite Radar-Seitenantenne zum Anbringen an einen Rumpf des Flugzeugs ausgebildet sind.
  6. Phased-Array-Radarantenne gemäß Anspruch 5, wobei das Flugzeug unbemannt ist.
  7. Dual-Band-Frühwarnradarsystem, welches die Phased-Array-Radarantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
  8. Verfahren zum Radar-Abtasten unter Benutzung von mindestens zwei Phased-Array-Antennen (11, 12, 13, 14), welche an entsprechende Oberflächen eines Fahrzeugs (10) angebracht sind, um so eine Überdeckung in verschiedenen Richtungen bereitzustellen, wobei das Verfahren ein gleichzeitiges Betreiben von mindestens zwei der Antennen bei verschiedenen gegenseitig nicht interferierenden Frequenzen umfasst.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8 zur Benutzung mit mindestens vier Phased-Array-Antennen, welche an entsprechende Flächen des Fahrzeugs angebracht sind, wobei das Verfahren umfasst: zyklisches Auswählen von aufeinanderfolgenden Antennen-Couplets, wobei jedes ein Paar von benachbarten Antennen umfasst; und gleichzeitiges Betreiben der benachbarten Antennen in dem ausgewählten Couplet bei verschiedenen Frequenzen.
  10. Computerprogramm, welches Computerprogrammcode-Mittel zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9 umfasst, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
  11. Computerprogramm nach Anspruch 10, welches auf einem computerlesbaren Medium verkörpert ist.
  12. Fahrzeug (10), welches daran das Dual-Band-Frühwarnradarsystem angebracht hat, welches die Phased-Array-Radarantenne (11, 12, 13, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
  13. Flugzeug (10) gemäß Anspruch 12, umfassend: einen Rumpf, welcher die erste und zweite Radar-Seitenantenne (11, 12) an seinen gegenüberliegenden Seiten haltert, einen Bug-Teilbereich, welcher die erste Radar-Endantenne (13) haltert, einen Heck-Teilbereich, welcher die zweite Radar-Endantenne (14) haltert, entsprechende Radome, welche die erste und zweite Radar-Endantenne überdecken, um so eine glatte aerodynamische Kontur bereitzustellen, und eine Radar-Steuereinheit (15), welche innerhalb des Rumpfes angeordnet ist und mit der ersten und zweiten Radar-Seitenantenne und mit der ersten und zweiten Radar-Endantenne gekoppelt ist, um die erste oder zweite Radar-Seitenantenne gleichzeitig mit der ersten oder zweiten Radar-Endantenne bei einer ersten bzw. einer davon verschiedenen zweiten Frequenz zu betreiben.
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