DE1591337A1 - Naheradar mit Sektorabtastung - Google Patents

Description

Patentanwalt Anmelder: MV. Philips' Gloeilampenfabrieken Aide No. HiB- 31 695 PHB. 31*695 Anmeldung vomi ^„Oktober 1967 dJo/WG

"Naheradar mit Sefctorabtastung"

Die Erfindung betrifft ein Radareystem für sehr kurae Abstände mit einem hohen AuflBeungeverraBgen sub Abtasten eines Sektors.

Ein solches System läset sich b.B. auf einem Fahreeug verwenden} dass βion in diohtem Nebel sohneil bewegen muss, wie β.B. auf Flugplätzen auf Lotsenwagen oder Feuerwehrwagen.

Dabei wird ein Radareystem verwendet, bei dem ein Sender kontinuierlich ein unter der Steuerung eines ersten Slgeiahngenerators, periodisch linear frequenimoduliertes Signal aussendet und das empfangene Eohoeignal Bit dem Sendesignal gemisoht wird, um eine Sohwebwigsfrequent su enielen, wobei der Empfanger ein Filter sum Abtrennen einer rorherbestimaiten Sohwebunfsfrequens entbllt.

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Ein solohes Radareyetera ist unter anderem au· der britiaohen Patenteehrift 501*169 bekannt. In diesem bekannten System erfolgt die Abtastung j β do oh derart, dass ein "B-soope" E-Sohirm erhalten wird. Un auf diese Heise einen Sektor abzutasten, wird eine meohanieoh rotierende Antenne verwendet, wobei sur Antennenlage proportionale Signale in Vereinigung mit den "E-eoopes" eine Sektorabbildung ergeben. Infolge der mechanisohen Drehung der Antenne sind diese Systeme trage, während sie eine genaue Winke!übertragung von der Antennenlage auf die Wiedergabevorrichtung erfordern.

Sie Erfindung behebt diesen Naohteil dadurch, dass da· System eine Antenne mit frequeniabhlngif*· Riohtkennlinie und Mittel besitat, welche periodisch die Dur-ju Asefrequen» des Filter· seitlich linear unter der Steuerung ein·· »weiten Slgeaahngenerators verschieben, wobei die FrequensBnderung pro Zeiteinheit der Durohlasefrequen» des Filter· erheblich gering«» ist als die des Sendesignals, während die Periodendauer des ■weiten Sägeaahngeneratora erheblich langer ist als die des ersten Sägesahngenerators.

Naoh der Erfindung werden somit Antennen mit einer linear frequenaabhängiger Riohtkennlinie und mit einem engen Bündel benutzt, s.B. ein Wellenleiter mit einem wellenförmigen Längesohlits oder ein Wellenleiter mit mehreren Quersohlitaen in einem gegenseitigen Abetand von etwa einer halben Wellenlange im Wellenleiter für eine Frequena in der Mitte des betreffenden Bandes oder swei oder aehr Reusenstrahler mit Speisung duroh gegenseitig verschieden· frequensabhängige Elemente, usw.

Si· Erfindung wird an Band dar Figuren erläutert.

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Die F±c* 1 ^is 5 veranschaulichen das Prinsip der Abtastmethode.

In Pig. 1 iet der Frtqueneverlauf dee Sendesignale gegen di· Seit aufgetrageni dies wird duroh die voile Lini* angedeutet.

Naoh der Figur hat diese Kennlinie einen linear in der Frequena »«nehmenden Teil und einen linear ir. der Friqy.·^» abnehmenden Teil, wodurch eine Signalfr*q.uans i-sitlloh dreieokiger Form mit einer Periodendauer ta erhalten wird

Im Prinzip kann man die Stgnalfreqwvi ftontinuierlioa «unehmen lassen, aber ia. ler Praxis iet asn auf cetlodieoh· Signal· sägeβah«finniger Gestalt beschrankt* Duroh die volle Linie in Fig« deutet man weiter den Winkel O al« Funktion der Zeit an| β beceiohnet den Winkel, unter dem die Hochfrequenzenergie in einem bestimmten Augenblick von der Antenne in bezug auf die Nullrichtung auegeeandt wird.

Aus dieser Figur zeigt sioh weiter die erforderliche lineare IUohtabhängigkeit der Antenne als Funktion der Frequem«

Von einem ''iel in einem Abstand d. von der Sendeantenne wird naoh einer Zeitspanne 2d../o, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet, naoh dem Aussenden eines Signals ein Echosignal im Empfänger empfangen. Dieses Echosignal wird in Fig. 1 duroh die gestrichelte Linie angedeutet· PQr einen Ziel in einem Abstand dL betragt die Eohozeit 2d₂/o, die in Fig. 1 duroh die striohpunktiert· Linie angedeutet ist«

Indem die Echosignale Mit den nomentonen Sendefrequenzen gemieoht werden, entstehen Schwebungsfrequenzen, die für di· Abstand· der die Eohos hervorrufenden Ziele massgebend sind.

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FQr di· Ziel· d. und d« betragen »ie F-, bzw. F_ß2 (siehe Fig. 1*).

Diese Bchwebungsfrequsnsen lassen sich duroh Anwendung einer Reihe von Bandpaesfiltem trennen, die gegenseitig versohobene Durohlassfrequenaen haben. Be ist jedooh cu bevorzugen, einen nilfsostillator nach den Fig. 2 und 3 anzuwenden. Das vom Hilfeoszillator gelieferte Signal ist in Fig. 2 als Signalfrequens gegen die Zeit aufgetragen. Auch hier iet als Beispiel ein dreieokiges, frequenzraoduliertes Signal jedoch mit einer Periodendauer von t benutet.

Fig. 3 seigt, dass die Signale mit den bestimmten Sohwebungsfrequenzen mit dem Signal dee Hilf speculators gemisoht werden. Die volle Linie der Fig. 3 eeigt das frequenzmodulierte Signal F. dee HilfsoBsillators. Dieses Signal· wird in der Frequenz mit den Frequenzen F_. und F„_? der Schwebungseignale verringert. Die Frequenz F., die vom Filter durchgelassen wird, wird duroh die strichpunktierte Linie angedeutet.

Aus Fig. 3 seigt sich, dass die Signale von in verschiedenen Abständen von dem Sender-Empfänger liegenden Zielen seitlich nacheinander ale Funktion dieser Abstände duroh das feste Filter durchgelassen werden, woduroh eine einfache Abotandsmessung eriielt wird. Die absolute QrBsse des Frequenshube des Hilfsossillators wird duroh den maximalen Abstand bestimmt, für den das Radarsystern entworfen ist, und duroh die Frequenzand·rung des Sendesignals pro Zeiteinheit. Zum Unterscheiden sehr nahe hintereinander liegender Ziele muss die Frequenz Sn de rung pro Zeiteinheit der Sendefrequens m 8g Höhst gi se sein, während die zeitliche Frequenzänderung des Hilfsossilla— tors goring r ^' ; na, damit das Filter eine ausreichende Bineohwinfungi

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zeit hat.

FQr Bohnelie zeitliche Frequenzänderungen dee Sendesignale muss der absolute Frequenzhub des Sendeeignale sehr gross sein. Dieser absolute Frequenzhub 1st jedooh von der absoluten Winkel-Änderung des Antennenriohtbundels als Punktion der Frequenz abhängig. Da jedoch die Hochfrequenzenergie aioh mit der Liohtg·- sohwindigkeit fortpflanzt»,steht nur eine sehr kurz« Zeit naoh dar Auesendung zur Abstandtaustastung zur Verfugung. Damit dennoch hinreiohend langsam ausgetastet werden kannj wird das Sendeauster wiederholt, so dass die Periode t deβ Signals des Hilfsoszillators erheblich grosser 1st als die Periodendauer ta des Sendesignals· Fig. 4 zeigt die Frequenzen des Sendesignale in Fora der ▼ollen Linieι die auaeerdem den Winkel der Aussendung andeutet und die des Echosignals das momentan vom Empfänger empfangen werden kann, in Form einer gestrichelten Linie gegen die Zeit* Da die Echozeit dem Abstand zwisohen den reflektierenden Ziel und dem Sender-Empfänger entspricht, ergibt sich aus Fig. 4* dass der Abstand, ftJr den der Empfänger empfindlich ist, linear zuniamt. FCr einen Ziel in einem Abstand d. mit der Sohwebungsfrequenz F.. ist der Stapfanger zum Zeitpunkt t. selektiv sowie für einen Ziel in einem Abstand d₂ zum Zeltpunkt t,. Die Linearität bei zunemhende« Abstand wird zum Zeitpunkt t während einer Zeitspann· t, unterbrochen. Da jedooh die absolute Frequenzänderung deα Hilfsoaslllators im Vergleich zu der des Sondooignals sehr gering ist, deoken sioh beide Linien praktisch nahesu vollkommen, wodurch dl« Zeitspannen t, siiihr k'-rt «mrden. Dies be-leutot Huueerdem, dann Ii« Kohorich U.ng ntsV.l h-dental ·?<·ϊ, ίΐ^;⁵ ϊίητηϋ, Kwnsiti kvni'.iv-Ι^π/μ··! . ·Λι ;:,>: >/* "ϊ· .h

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ist, so dass der ördinatenunterschied la Flg. 4 für den Abstand eines Ziele vom Sender-EmpfBnger massgebend ist, wahrend die Ordinate an aioh den Winkel andeutet» den das Ziel in der abgetasteten Ebene Bit einer bestimmten Nullinie macht.

BIe Raumabtastmethode naoh der Erfindung ist in Fig. 5 veransohaulioht, Kinfaohheitahalber ist das Verhältnis t_/t gleioh 4 gewählt atatt daa Wertes des wirklichen Verhältnisses, der gleioh 50 oder grSaser ist.

Bei einer Frequenzänderung des Sendesignals zwischen den Zeitpunkten t_Q und 1/2^ (elehe Fig. 1) ändert eich der Winkel, unter den die Hoohfrequensenergie auegesandt wird, von einem aussei*- »ten Wart bis sum anderen äuasersten Wert (. h.· Fig. 5)» während der Empfänger für Ziele mit einem sunehmanden Abstand naoh Fig. 4 empfindlich ist, so dass ledigliohe Ziele auf.der Linie 1 naoh Fig. festgestallt werden können. Sinkt die Sandefrequans von Maximalwert bis zum Minimalwart herab während der Zeit (1/2)^ bis t₁, so draht sioh das RiohtbQndel der Antenne zurfiok sum Anfangswert, worauf die auf der Linie 2 liegenden Ziele abgetastet warden, da die Frequent des Hilfsossillators nooh βteta aunimmt.

Während der Zeitapanne t. - t„ werden die. auf den Linien 3 und liegenden Ziele abgetastet. Von dem Zeitpunkt t₂ bia ium Zeitpunkt t. nimmt die Frequenz dea Hilfaossillators linear ab, no daee die erwähnten Linien in umgekehrter Reihenfolge durchlauf>n werden, usw. Die Periodendauer des HilfeossillatorsignaLB let Lr er Praxis _r:lalch dem 5O~faohen der Periodendauer doo Sondfc.n-ίπιί* ->, · gr^nHve, uoduroh »in Signalabtautraeter βτίν+i t«»n *l? \\i<% zm J m Muht fiWiiuuli^ÄV V."--iii1 --'H- Verhftj --i shhb ■·?■* ■*< :~\.-- ■■·

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abtastung bewerkstelligt. Die Zeitspanne t^, während der unrioht * Information erhalten wird, iet ausserst kuri und deokt eioh mit den Eussersten Winkelwerten des abzutastenden Sektor«, so dass dies· leioht unterdrückt werden können.

Pig. 6. zeigt in einem Blookeohaltbild eine Aupführungeforio der Erfindung.

Die vom Oscillator TO erhaltene Sendentrgie wird durch den Zirkulator J der Antenne E mit frequenz*^ bündiger Hiohtkennlinie augefUhrt. Der Oscillator TO kann einen Wanderwellenleiter enthalten, dessen Frequenz eioh z.B* von 9,6 auf 12,4 QH* duroh Aenderung der der RChre züge führten Spannung Sndern laset« Sie Stromversorgung des Oszillators TO erfolgt duroh das Speisegerlt PU, dessen Aubgangsspannung duroh die Spannung des Winkelabtastgenerators ASQ gesteuert wird, der z.B. eine Sagezahnspannung mit einer Periodendauer von 400 /useo liefert, über die Stufe SH. Der Zirkulator J muss einen grossen Bandbereioh mit minimaler DurohlaBsdämpfung (geringer als 1 dB) und einer hohen Sperrdampfung von mindestens 20 dB haben. Statt des Zirkulators J könnte gegebenenfalls eine Differentialschaltung verwendet werden, z.B. eine Differentialeohaltung ("hybrid") mit einem duroh einen Widerstand ununterbrochen angepassten Arm. Die durch den Zirkulator leckende üiergie wird gemeinsam mit der vom Ziel reflektierten Ehergie dem quadratieohen Detektor D. augeführt. Dieser Detektor ist ale Misohstufe wirksam, wodurch die erwüneohten Sohwebungsßignalo erhalten werden.

Die so erhaltenen Signale werden einem Bandpassfilter F zugeführt. AusBerhalb seines DurohlaBsboreiohs reflektiert dieses Filter alle Engerie, b.B. das Hiederfreqiienz-Plaokerrauschen des

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Detektor» und das Rauschen unerwünschter Ausgangssignale, während dae Filter für die im Durohlasobereich liegenden Frequenzen derart entworfen ist, dass es für niedrige Frequenzen erhebIioh grosser« Verluste aufweist als für die höheren Frequenzen in diesem Bereioh. Dies dient dasu, das Amplitudenverhaltnis von Zielen in verschiedenen Abständen zu glatten , da die Niederfrequenzsignale von Zielen in einem kurzen Abstand von dem Sender-Empfänger stammen, eo dass eie bedeutend starker sind als die Hoohfrequenesignale, da der EnergieverluBt zum Quadrat des Abständeε proportional ißt. Das Filter ist derart entworfen, dass das Spoktrum dos Durchlaesbereiohs sioh von 0,135 bis 4»5 MIz eretreokt. "Darauf wird daa Signal über einen Verstärker A₁, der für den erwähnten Frequennbereioh eine hinreiohonde Verstärkung liefern soll, der Oegentakt-Mschetufe BM zugeführt, der ausserdem ein Signal vom Hilfeoszillator LO augeführt wird. Die Hisohstufe BK wird-durch oinen Ringmodulator gebildet, wegen seiner guten Breitbandeigonsohaften und der !Äxterdrüokung des Signals des Verstärkers A₁ und des Signals des Hilfsossillators. Der Hilfsoszillator liefert ein linear frequens— moduliertes Signal as wi schon 10, 835 und 15 »2 MHj; und wird von dem Abstandsgenerator RSQ gesteuert, der ein linear amplitudenmoduliert·· Signal dreieokiger Form mit einer Periodendauer von 40 raseο liefert.

Das so erhaltene Misohsignal wird dem Filter A„ eugtsftlhrt, das ausserdem das im Durohlassboreloh des Filters liegende Signal von 10,7 MHb ± 50 kHz verstärkt. Da der Hilfeooeillator unter anderem au oh die Frequene von 3» 57 MHs erzeugt und deren dritte H&nnonitohs 10,7 MIIz botragt, muss di« Misohetufe BM derart aufgebaut sein, dass diese dritte Harmonische auf einen vsrnaoh-

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lässigbaren Pegel herabgemindert wird. Die vom Verstärker A. stammende Information wird im Detektor D„ detaktiert und im Bildverstärker A, verstärkt,, um die Helligkeit der Elektronenstrahlröhre Z mittels Kathodenstroromodulation su regeln.

Zum ersielen der vorstehend beschriebenen Sektorabtastung werden somit zwei Generatoren benutet. Zur flaokerfreien Wiedergabe des Bildes auf dem Sohirm einer Elektronenstrahlröhre ohne Benuteung langer Naohleuohtseit und sum Ersielen eines feinen . Abtaotraeters sum Unterscheiden von Zielen ist das Verhältnis swisohen der Periodendauer des Abstandsgenerators RSO und der Periodendauer des Winkelabtastgenerators ASO 50 gleioh 1 gewählt* Fig. 7 zeigt die betreffenden Spannungen in Form aägesahnmodulierter Spannungen VRSQ bsw. VASQ. Der Uebersioht halber ist da· Verhältnis zwischen den Perioden der Generatoreignale 1 ι 6 gewählt. Die·· Signale werden direkt den Vertikal- bew. Horisontalablenksystemen der Elektronenstrahlröhre genäse dem Sohaltblld in Fig« 6 zugeführt. Der abgetastete Sektor ist in Form ein·· Reoht-•oke in Fig« β dargestellt. Al· Beispiel ist ein Weg duroh Mine Konturen W dargestellt« Der Weg biegt sioh oben auf de· Soairn naoh link· ab· Aus der Figur let ersiohtlioh, das· der Weg eine eolohe Perspektive hat. das· naheliegend· Ziele bestimmter 0r5··· gröeser wiedergegeben werden als gleioh groese Ziele in ein·· grösseren

Abstand. Si·· kann fttr Kraftwagenfahrer in Hebel günstig sein. Dieser Effekt kann nooh dadurch verstärkt werdenι da·· die Spannungen der in Fig« 9 dargestellten Form den Ablenksystem der Elektronenstrahlröhre sugeführt werden_y Zu diesem Zweok wird die Ausführungsfom naoh Fig. 6 in die der Fig. 10 geändert, wo nur die Aon<terung

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dargestellt ist. In bezug auf die Vertikalablenkung gibt es keinen Unteraohied von Fig. 6, aber der Horizontalablenkkreie enthält •ine Modulatorstufe K., Diesem Modulator werden die Signale naoh Fig. 7 zugeführt* Die Amplitude des von dem Winkelabtaatgenerator ASQ stammenden Horizontalablenkeignals wird dann um das von dem Abstandsgenerator RSO stammende Signal verringert, wodurch gem&ss Fig. 9 bei einnehmendem Abstand eine geringere Horizontalablenkung entsteht, was in Fig. 11 dargestellt ist. Dieses Bild hat somit noch eine stärkere Perspektive als das Bild naoh Fig. 8, wodurch nachstehende Ziele starker auffallen.

Zur Naturgetreuen Abbildung des abgetasteten -Sektors muss die Modulation des Modulators M, (Fig. 10) rart geändert werden, dass bei iunehmendem Abstand die Horizontalablenkung nicht abnimmt, sondern aunlmmt. Zu diesem Zweok muss die Amplitude de· Signals des Vinkelabtaetgenerator· um die Amplitude des negativen Signal« des Abstandegeneratore erhöht werden. Die resultierenden Signale sind in Fig. 12 für dreieokig modulierte Signale dargestellt, wobei einfaohheitshalber da· Verhältnis »wischen den Periodendauern gleich 1 t 6 gewählt ist. Das erhaltene Bild ist in Fig. 13 dar-' gestellt. Diese· Bild lässt sloh noch in das Bild der Fig. 14 umwandeln, indem die in Fig. 15o dargestellte Amplitudenform für die Vertikalablenkeinheit der Elektronenstrahlröhre gewählt wird. Zu die··« Zweak wird die Anordnung nach Fig. 10 in die der Fig. 16 abgeändert·

Das von Modulator H. in Fig. 16 stammende Bignal In Form der Spannung T naoh Fig. 12 wird der Stufe UC angeführt. Daa Figr.al wird dort lunlohat in eine Wechselspannung naoh Fl.;. 15a umgewandelt,

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die Unter- und Obergretizen von -Vm und +Vm Volt hat. Dieeee wird darauf doppelphat.ig gleiohgeriohtet, wodurch die verdoppelt wird. Diets iet in Fig·. 15b dargeutellt, wo die drei gestrichelte Stellen das ιreprlingliche Signal andeuten. Kaoh Gleichrichtung betrafen die Maximalwerte 0 und -Vm Volt» Des Signal wi:· 1 darauf zum Sitpnal Vy nach Fi£.. 12 addiert, woduroh aie Signalform der Fig. 1po erhalten wir.i. Eine Untersuchung dieoor Spannungeform zei^'t, dacs in den Augenblicken tz, wenn der Strahl duroh die Horiaontalablenkvnej in der Mitte des Cchirmes uteht, die Spannung in der Vertikalrichtun^ h^her ist alu in dem vorhergehenden vmd dem nächstfolgenden Augenblick} in denen die Horizontalablenkung ihr· SuBsersten Werte erreicht. Dies iet also gerade die Forai} wclohe notwendig iet, um ein Soktorbild mit runder Oberseite nach Fi&. 14 zu erzielen.

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Claims (5)

PATHT TAS SPBUECHEt

1. Radarsystem, dessen Sender kontinuierlich ein unter der Steuerung eines ersten Sägezahngenerator periodieoh linear frequenemoduliertes Signal auseendet, wobei das empfangene Echosignal mit dem Sendeaignal zum Erzielen einer Sohwebungefrequenz gemiecht wird und der Empfänger ein Filter zum Abtrennen einer vorherbestimmten Eohwebungsfrequenz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass dae System eine Antenne rit frequenzabhängiger Riohtkennlinie und Mittel besitzt, die periodisch die Durohlassfrequenz des Filters zeitlich linear unter der Steuerung eines zweiten Sägezahngenerators verschieben, wobei die Frequenzänderung pro Zeiteinheit der Durohlasefrequenz dee Filters erheblich geringer ist als die des Sendesignale und die Periodendauer des zweiten Sägezahngenerator erheblich länger.ißt als die dec erbten f'ägezahngeneratore.

2. Radarsystom nach Anepruoh 1, daduroh gekennzeichnet, dass das Sohwebungssiyial einer Miaohstufe zugeführt wird, in der es mit der Aucgangsspani.untä eines periodieoh frequenamodulierten Hilfeoszillators gemischt wiri, worauf es dem Filter mit der festen Durchlassfrequunz zugeftthrt wird.

3. Radarsyütorn nach Anspruch 1 mit einer Elektronenstrahlröhre, dadurch £jokejinafiiohiint, dass die Intensität dee Elektronenstrahls durch dap vom FiHör utammende Signal moduliert wird und dass der Strahl in einer Richtung entsprechend der Stärke des Signale des ernten Sägezahngonoratoru und in einer zu dieser Riohtung eenkrechten Richtung entsprechend der Stärke des Signals dee «weiten Sägezahngonoratorn abyolenkt wird,

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4. Radarsystem nach Anspruoh 1 mit einer Elektronenstrahlröhre, dadurch gekennzeichnet! dass die Intensität des Elektronenstrahl· durch das Signal von dem Filter moduliert wird und daas der Strahl in einer Richtung entsprechend der Stärke dee Signals des Bweiten SRgezahngenerators und in einer zu dieser Riohtung senkrechten Riohtung entsprechend der Starke des amplitudenmodulierten Signal· des ersten filgesahngenerators das mit dem Signal des anreiten sägezahngenerator^ abgelenkt wird, amplitudenmoduliert wird.

5. Radareystem naoh Anspruoh 1 mit einer Elektronenstrahlröhre! dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Elektronenstrahl* durch das Signal von dem Filter moduliert wird und dass der Strahl in einer Richtung entsprechend der Bttrke dee amplitudenmodulierten Signals des ersten Sägezahngenerator mit dem Signal des zweiten Sägezahngenerator υηά in einer zu dieser Riohtung senkrechten Richtung entsprechend der St&rke dee amplitudenmodulierten Signals des «weiten Sagesahrigenerators mit der doppelphaeig gleichgerichteten tfeohseletromkomponente des Signals des ersten Sägezahngenerator Abgelenkt wird.

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