IT201600102764A1 - Radar terrestre interferometrico bistatico con transponder - Google Patents
Radar terrestre interferometrico bistatico con transponderInfo
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Description
"RADAR TERRESTRE INTERFEROMETRICO BISTATICO CON
TRANSPONDER";
Settore dell’invenzione
Il trovato riguarda un radar interferometrico ed in particolare un radar interferometrico terrestre, del tipo impiegato per il telerilevamento di frane, miniere, ghiacciai, valanghe di neve, vulcani, così come per rilevare spostamenti di grandi strutture, come ponti, dighe e lavori edili in generale.
Stato dell’arte
E’ nota una soluzione nella quale un radar interferometrico bistatico, come descritto nell’articolo D. Mecatti, D. Dei, M. Fratini, F. Parrini, M. Pieraccini, F. Coppi, “A novel ground based multi bistatic radar for interferometric measurement of displacement vector.” In: Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2011 IEEE International (pp. 3983-3986), è in grado di misurare due componenti dello spostamento di un bersaglio.
In questa soluzione è prevista una unità radar principale con un trasmettitore e un ricevitore a bordo. Il segnale radar è irradiato dalla antenna principale di trasmissione o da una delle due antenne secondarie che si trovano a distanza, che illuminano lo stesso bersaglio e sono collegate all'unità principale mediante un cablaggio RF.
Questa nota soluzione presenta alcuni inconvenienti significativi per la necessità di collegare le antenne a distanza mediante un cavo, il che rende di difficile applicazione il sistema nei casi reali, quando sia necessario disporre o spostare le antenne secondarie in diversi punti di osservazione, lontani anche decine o centinaia di metri.
Inoltre, nell’ambito dei sistemi di misura di spostamenti, questa soluzione non risulta soddisfacente perché non è in grado di fornire immagini radar bidimensionali, mappe dello spostamento e mappe di elevazione (DEM: Digital Elevation Map) del campo di vista.
E’ inoltre nota una tecnologia denominata GB-SAR (Ground based Syntetic Aperture Radar) nella quale un radar interferometrico monostatico si muove lungo una guida meccanica per realizzare la cosiddetta apertura sintetica. In tal modo vengono realizzate immagini radar del campo di vista e mediante interferometria differenziale è anche possibile misurare gli spostamenti dei bersagli. Tale tecnologia è di particolare interesse perché costituisce una tecnica radar in grado di fornire mappe di spostamento di elevata precisione su un intero campo di osservazione.
Un esempio di GB-SAR convenzionale è descritto in M. Pieraccini, D. Tarchi. H. Rudolf, D. Leva, G. Luzi, C. Atzeni, “Interferometric radar for remote monitoring of building deformations”, Electronics Letters, Vol. 36, No. 6, pp. 569-570 (2000)
Tuttavia i sistemi GB-SAR di tipo noto presentano considerevoli limiti poiché rilevano solamente lo spostamento del bersaglio lungo la direzione di vista e non il vettore spostamento del versante o della struttura architettonica osservata.
Scopo dell’invenzione
Lo scopo della presente invenzione è quindi proporre un radar terrestre interferometrico bistatico esente dagli inconvenienti sopra menzionati dei sistemi di tipo noto e capace di misurare 2 o più componenti dello spostamento di un bersaglio da monitorare, ad esempio un versante o altra struttura.
Sommario dell’invenzione
A questi ed ulteriori scopi si è pervenuti con un radar interferometrico terrestre secondo una o più delle rivendicazioni allegate, con una unità radar principale dotato di una antenna trasmittente ed una antenna ricevente che acquisisce una prima immagine (monostatica) del proprio campo visivo, e che utilizzando una ulteriore antenna ricevente (o una rotazione della prima antenna ricevente) acquisisce una seconda immagine (bistatica) del stesso scenario sfruttando il rimbalzo di un segnale proveniente da un transponder amplificatore.
Un primo vantaggio dell’invenzione consiste nel fatto che il radar proposto è in grado di ottenere immagini radar prese da più punti di osservazione e, mediante la interferometria differenziale, è in grado anche di misurare gli spostamenti dei bersagli.
Un secondo vantaggio consiste nel fatto che il radar interferometrico dell’invenzione è in grado di ottenere la mappa degli spostamenti in più componenti e, con opportuni accorgimenti, anche la mappa di elevazione del campo di vista (DEM).
Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che il radar è di struttura semplificata rispetto alle soluzioni note di radar bistatici da satellite o da aereo.
Lista dei disegni
Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:
- la fig.1 mostra una prima forma realizzativa di un radar secondo l’invenzione - la fig.2 mostra un esempio preferito di un radar secondo l’invenzione;
- la fig. 3 mostra uno schema di un trasponder amplificatore utilizzabile nel radar dell’invenzione;
- la fig. 4 mostra schematicamente il funzionamento del radar di fig.2 evidenziando le due componenti dello spostamento (c1e c2) che il radar è in gradi di rivelare;
- la fig. 5 mostra una forma realizzativa alternativa, ma equivalente a quella mostrata in fig.2;
- la fig. 6 mostra schematicamente il funzionamento di un’ulteriore forma realizzativa in grado di acquisire più di due componenti dello spostamento;
- la fig. 7 mostra un’ulteriore forma realizzativa utilizzabile quando il secondo punto di osservazione non è in vista dell’unità principale oppure troppo lontano dall’unità principale 2;
- la fig. 8 mostra un’ulteriore forma realizzativa equivalente a quella mostrata in fig. 7, ma con il percorso del segnale radar invertito;
- la fig.9 mostra un’ulteriore forme realizzativa che si basa su un sistema di movimentazione lungo un arco di cerchio (100);
- la fig. 10 mostra una forma realizzativa alternativa, ma equivalente al quella mostrata in fig.9;
- la Fig.11 mostra schematicamente una forma realizzativa di un radar secondo l‘invenzione che consente l’acquisizione di DEM del campo di vista;
- la fig. 12 mostra una forma realizzativa alternativa, ma equivalente al quella mostrata in fig.11;
- la fig. 13 mostra la geometria generale di un algoritmo per la sintesi di immagini bistatiche mediante il radar a scansione lineare.
-la fig. 14 mostra la geometria generale di un algoritmo per la sintesi di immagini bistatiche mediante il radar a movimentazione lungo un arco di circonferenza.
- la fig.15 mostra un’immagine radar sintetica bistatica di un bersaglio acquisita con il radar dell’invenzione.
Descrizione dettagliata
Con riferimento ai disegni allegati, la figura 1 mostra una prima forma realizzativa, le figure 2-6 descrivono un esempio preferito di realizzazione del radar oggetto dell’invenzione.
Nell’esempio preferito, il radar è un radar terrestre interferometrico bistatico, del tipo ad apertura sintetica comprendente un sistema di movimentazione, ad esempio una guida 1 lineare rettilinea provvista di mezzi di fissaggio a terra 6 sulla quale può scorrere una unità radar principale 2 dotata di almeno una prima unità trasmittente 3 ed una unità ricevente 4, quest’ultima deve essere in grado di acquisire, simultaneamente o in tempi diversi, da almeno due direzioni diverse. Ciò può essere realizzato in vari modi: mediante due antenne e un singolo canale di acquisizione; mediante due antenne e due canali di acquisizione separati; mediante una singola antenna in grado di ruotare e un singolo canale di acquisizione.
Il radar comprende inoltre un trasponder amplificatore 5, posto a distanza da detta unità principale 2, ad esempio ad una distanza compresa tra 10 m e 500 m, provvista di mezzi di fissaggio a terra 9, di una unità di amplificazione del segnale 12 e provvisto, inoltre, a sua volta di una unità ricevente 7 ed una unità trasmittente 11.
Secondo l’invenzione, l’unità trasmittente 3 e l’unità ricevente 4 della unità radar principale sono disposte rispettivamente per trasmettere e per ricevere un segnale verso e da un bersaglio T da monitorare. L’ unità ricevente 4 è, inoltre, disposta per ricevere anche dal trasponder amplificatore 5.
Nel trasponder amplificatore 5, la unità ricevente 7 e la unità trasmittente 11 sono a loro volta orientate rispettivamente per ricevere un segnale radar dal bersaglio T da monitorare e per trasmettere verso la unità principale 2.
Per la acquisizione e la elaborazione dei segnali radar è prevista una unità elettronica 8 collegata alla unità radar principale 2.
Nel funzionamento, la unità elettronica 8 acquisisce una immagine radar sintetica monostatica del bersaglio T sfruttando il movimento della unità principale lungo la guida 1.
Successivamente o simultaneamente, l’unità 8 acquisisce una immagine radar sintetica bistatica del bersaglio T sfruttando il movimento della unità principale lungo la guida 1 e utilizzando il trasponder amplificatore .
Grazie all’invenzione, mediante il segnale radar che rimbalza attraverso il trasponder 5 si può quindi realizzare un’immagine sintetica bistatica dello scenario nel campo di vista dell’antenna di trasmissione della testa radar e dell’antenna ricevente del trasponder. Dalla immagine sintetica, mediante i metodi in sé noti dell’interferometria radar, si può misurare la componente c1dello spostamento nella direzione tra radar e bersaglio e una seconda componente c2di spostamento nella direzione della bisettrice tra radar -bersaglio e bersaglio - trasponder, ottenendo così almeno due componenti (Figura 4).
Preferibilmente, l’unità 8 elabora la seconda immagine radar sintetica del bersaglio T mediante un algoritmo che ha come parametri almeno la posizione della unità principale 2 lungo la guida 1, la distanza d1tra la unità principale 2 e il trasponder amplificatore 5, la distanza d2tra il trasponder amplificatore 5 ed il bersaglio T, e la distanza d3tra la unità principale 2 e il bersaglio T.
In maggior dettaglio, con riferimento alla geometria generale rappresentata nelle figure 13 e 14, il risultato di una misurazione è una matrice Nf×Npdi numeri complessi
dove Ii,kand Qi,ksono i componenti in fase e in quadratura acquisiti alla i-esima frequenza fi(1 <i <Nf) nella posizione k-esima lungo la guida (1 <k <Np).
Sintetizzare l’immagine in un generico punto identificato dalle coordinate polari (r,φ) significa compensare la fase del percorso tra un punto generico immagine, il transponder amplificatore 5 e l’unità radar 2.
Con riferimento alle figure 13 e 14, la formula di base è:
con
e dove:
c è la velocitò della luce
d1(k) è la distanza tra il transponder e la posizione k-esima dell’unità radar 2 lungo la quida 1,
d2(r,φ,) è la distanza tra bersaglio osservato di coordinate (r,φ) e il trasponder 5,
d3(r,φ,k) è la distanza tra bersaglio osservato di coordinate (r,φ) e la posizione k-esima dell’unità radar 2 lungo la guida 1.
In un esempio di realizzazione del radar schematizzata in figura 2 e 4,
l’unità trasmittente 3 della unità principale 2 comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso detto bersaglio T,
l’unità ricevente 4 dell’ unità principale 2 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio T ed una antenna per ricevere un segnale da detto trasponder amplificatore 5,
l’unità ricevente 7 del trasponder amplificatore 5 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio T, e
l’unità trasmittente 11 della unità a trasponder 7 comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detta unità principale 2.
In questo caso (figura 4) il radar misura la componente c1di spostamento del bersaglio T lungo la direzione tra bersaglio e radar, e la componente c2di spostamento del bersaglio T lungo la direzione bisettrice tra le direzioni radar -bersaglio T e bersaglio T-trasponder amplificatore.
In una ulteriore forma realizzativa schematizzata in figura 5:
l’unità ricevente 4 della unità principale 2 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio T,
l’unità trasmittente 3 della unità principale 2 comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso detto bersaglio T ed una antenna per trasmettere un segnale verso il trasponder amplificatore 5,
l’unità ricevente 7 del trasponder amplificatore 5 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detta unità principale 2,
l’unità trasmittente 11 del trasponder amplificatore 7 comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detto bersaglio T.
Anche in questo caso il radar misura la componente c1di spostamento del bersaglio T lungo la direzione tra bersaglio e radar, e la componente c2di spostamento del bersaglio T lungo la direzione bisettrice tra le direzioni radarbersaglio T e bersaglio T- trasponder amplificatore.
In una ulteriore forma realizzativa schematizzata nella figura 6 il radar comprende una seconda unità trasponder 50.
In questo caso il radar misura
la componente c1di spostamento del bersaglio T lungo la direzione tra bersaglio e radar,
la componente c2di spostamento del bersaglio T lungo la direzione bisettrice tra radar - bersaglio T e bersaglio T- primo trasponder amplificatore 5, e
la componente c3di spostamento del bersaglio T lungo la direzione bisettrice tra le direzioni radar-bersaglio T e bersaglio T- secondo trasponder amplificatore 50.
Vantaggiosamente, nel caso di utilizzo di più trasponder, se i trasponder amplificatori sono a quote diverse, mediante almeno due trasponder amplificatori è possibile ottenere le tre componenti nello spazio (x,y,z) del vettore spostamento.
In una ulteriore forma realizzativa schematizzata nella figura 7 il radar comprende un secondo trasponder amplificatore 50.
In questo caso
la unità trasmittente 3 comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso il bersaglio T,
la unità ricevente 4 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio T ed una antenna per ricevere un segnale dal primo trasponder amplificatore 5,
l’unità ricevente 7 del primo trasponder amplificatore 5 comprende una antenna orientata per ricevere il segnale dal secondo trasponder amplificatore 50,
la unità trasmittente 11 del primo trasponder amplificatore 5 comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso la unità principale 2 la unità ricevente 7 del secondo trasponder amplificatore 50 comprende una antenna orientata per ricevere un segnale dal bersaglio T,
la unità trasmittente 11 del secondo trasponder amplificatore 50 comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso il primo trasponder amplificatore 5.
Vantaggiosamente, nel caso di utilizzo di più trasponder disposti come in Fig.7, se il radar ed un trasponder in vista del bersaglio non avessero una linea di vista sgombra da ostacoli, oppure fossero troppo lontani per ottenere un buon segnale, si può utilizzare un ulteriore trasponder che opera come una sorta di ponte radio.
In una ulteriore forma realizzativa schematizzata nella figura 8 il percorso del segnale radar è inverso rispetto alla forma realizzativa descritta sopra.
Con riferimento alle figure 9-10 è mostrato un radar secondo l’invenzione, nel quale il sistema di movimentazione della unità principale 2 è un braccio rotante su un arco di circonferenza 100.
In tale realizzazione l’antenna che collega l’unità 3 al trasponder amplificatore 5 sarà preferibilmente di tipo omnidirezionale.
In figura 11 è mostrato un ulteriore esempio di realizzazione, nel quale i mezzi di fissaggio a terra 9 del trasponder amplificatore comprendono mezzi 13 di regolazione in altezza.
Vantaggiosamente, in tal caso il radar dell’invenzione può essere utilizzato anche per ottenere la quota dei bersagli nel capo di vista, ovvero il DEM (Digital Elevation Model). Con riferimento alla figura 11 si eseguono infatti due misure bistatiche che si differenziano solo per fatto che il trasponder è stato mosso di una certa altezza (ad esempio alzato o abbassato).
Dall’interferogramma tra le due immagine si ottiene così la quota del bersaglio nel campo di osservazione del radar.
La fig.12 mostra una forma realizzativa equivalente a quella mostrata in Fig.11 La presente invenzione è stata descritta secondo forme preferite di realizzazione ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Radar terrestre interferometrico bistatico comprendente una unità radar principale (2) provvisto di mezzi di fissaggio a terra (6), e dotata di almeno una prima unità trasmittente (3) ed almeno una prima unità ricevente (4) almeno un trasponder amplificatore (5, 50) posto a distanza da detta unità principale (2), provvista di mezzi di fissaggio a terra (9) e provvisto inoltre di una seconda unità ricevente (7) ed una seconda unità trasmittente (11), dette almeno una prima unità trasmittente (3) ed almeno una prima unità ricevente (4) essendo disposte rispettivamente per trasmettere e per ricevere un segnale verso e da un bersaglio (T) da monitorare o detto trasponder amplificatore (5, 50), dette seconda unità ricevente (7) e seconda unità trasmittente (11) essendo disposte rispettivamente per ricevere e per trasmettere un segnale da e verso detto bersaglio (T) da monitorare o detta unità principale (2), una unità (8) di acquisizione ed elaborazione di segnali radar operativamente collegata a detta unità radar principale (2) per acquisire in successione o simultaneamente almeno una immagine radar monostatica ottenuta utilizzando il segnale ricevuto da detto bersaglio (T), almeno una immagine radar bistatica del bersaglio (T) ottenuta utilizzando il segnale che attraversa detto trasponder amplificatore (5), e per elaborare dette immagini monostatica e bistatica mediante interferometria per misurare due componenti (c1, c2) dello spostamento del bersaglio (T) corrispondenti a dette immagini monostatica e bistatica.
- 2. Radar secondo la rivendicazione precedente, comprendente un sistema di movimentazione di detta unità radar principale (2) in cui detta unità (8) di acquisizione ed elaborazione di segnali radar acquisisce in successione o simultaneamente almeno una immagine radar sintetica monostatica del bersaglio (T) realizzata sfruttando il movimento della unità principale (2) ed almeno una immagine radar sintetica bistatica del bersaglio (T) realizzata sfruttando il movimento della unità radar principale (2) e utilizzando il segnale che attraversa detto trasponder amplificatore (5) per elaborare dette immagini sintetiche monostatica e bistatica mediante interferometria per misurare due componenti (c1, c2) dello spostamento del bersaglio (T) corrispondenti a dette immagini monostatica e bistatica.
- 3. Radar secondo la rivendicazione 2, in cui detto sistema di movimentazione della unità principale comprende una guida rettilinea (1).
- 4. Radar secondo la rivendicazione 2, in cui detto sistema di movimentazione comprende una guida ad arco di circonferenza (100).
- 5. Radar secondo una delle rivendicazioni 2-4 in cui detta unità (8) elabora detta immagine bistatica del bersaglio (T) mediante un algoritmo avente come parametri almeno la distanza (d1) tra la unità principale (2) e il trasponder amplificatore (5), la distanza (d2) tra il trasponder amplificatore (5) ed il bersaglio (T), e la distanza (d3) tra la unità principale (2) e il bersaglio (T).
- 6. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima unità ricevente (4) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio (T) ed una antenna per ricevere un segnale da detto trasponder amplificatore (5), detta prima unità trasmittente (3) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso detto bersaglio (T), detta seconda unità ricevente (7) del trasponder amplificatore (5) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio (T), detta seconda unità trasmittente (11) del trasponder amplificatore (7) comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detta unità principale (2).
- 7. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima unità ricevente (4) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio (T), detta prima unità trasmittente (3) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso detto bersaglio (T) ed una antenna per trasmettere un segnale verso detto trasponder amplificatore (5), detta seconda unità ricevente (7) del trasponder amplificatore (5) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detta unità principale (2). detta seconda unità trasmittente (11) del trasponder amplificatore (7) comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detto bersaglio (T).
- 8. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una prima ed una seconda unità a trasponder (5, 50), in cui detta prima unità ricevente (4) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detto bersaglio (T) ed una antenna per ricevere un segnale da una prima unità a trasponder (5), detta prima unità trasmittente (3) della unità principale (2) comprende una antenna orientata per trasmettere un segnale verso detto bersaglio (T), ed in cui nella prima unità a trasponder (5), detta seconda unità ricevente (7) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale da detta seconda unità trasponder (50), detta seconda unità trasmittente (11) comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detta unità principale (2), ed in cui in nella seconda unità a trasponder (50) detta seconda unità ricevente (7) comprende una antenna orientata per ricevere un segnale detto bersaglio (T), detta seconda unità trasmittente (11) comprende una antenna orientata per trasmettere il segnale verso detta prima unità trasponder (2),
- 9. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, ma con il percorso del segnale bistatico invertito, ovvero il segnale radar anziché procedere dal radar al bersaglio, dal bersaglio al trasponder e dal trasponder al radar, procede dal radar al trasponder, dal trasponder al bersaglio e, infine, dal bersaglio al radar. E viceversa.
- 10. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una di dette unità riceventi o trasmittenti della unità principale (2) comprende una antenna orientabile per essere orientata alternativamente verso detto bersaglio (T) o detto trasponder (5).
- 11. Radar secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di fissaggio a terra (9) dei trasponder amplificatori (5, 50) comprendono mezzi (13) di regolazione in altezza dei trasponder amplificatori (5, 50).
- 12. Metodo per la misura degli spostamenti di un bersaglio (T) mediante un radar terrestre interferometrico bistatico comprendente una unità radar principale (2) provvista di mezzi di fissaggio a terra (6),e dotata di almeno una prima unità trasmittente (3) ed almeno una prima unità ricevente (4) almeno un trasponder amplificatore (5, 50) posto a distanza da detta unità principale (2), provvista di mezzi di fissaggio a terra (9) e provvisto inoltre di una seconda unità ricevente (7) ed una seconda unità trasmittente (11), dette almeno una prima unità trasmittente (3) ed almeno una prima unità ricevente (4) essendo disposte rispettivamente per trasmettere e per ricevere un segnale verso e da un bersaglio (T) da monitorare o detta unità a trasponder (5), dette seconda unità ricevente (7) e seconda unità trasmittente (11) essendo disposte rispettivamente per ricevere e per trasmettere un segnale da e verso detto bersaglio (T) da monitorare o detta unità principale (2), una unità (8) di acquisizione ed elaborazione operativamente collegata a detta unità radar principale (2) in cui detta unità (8) di acquisizione ed elaborazione esegue una fase di acquisizione, in successione o simultaneamente, di almeno una immagine radar monostatica del bersaglio (T) e di almeno una immagine radar bistatica del bersaglio (T) realizzata utilizzando il segnale che attraversa almeno un trasponder amplificatore (5), e una fase di elaborazione interferometrica di dette immagini monostatica e bistatica per misurare almeno due componenti (c1, c2) dello spostamento del bersaglio (T) corrispondenti a dette immagini monostatica e bistatica .
- 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta una unità radar principale (2) è mobile mediante un sistema di movimentazione (1, 100) e detta unità (8) di acquisizione ed elaborazione esegue una fase di acquisizione, in successione o simultaneamente, di almeno una immagine radar sintetica monostatica del bersaglio (T) realizzata sfruttando il movimento della unità principale (2) e di almeno una immagine radar sintetica bistatica del bersaglio (T) realizzata sfruttando il movimento della unità principale e utilizzando il segnale che attraversa almeno un trasponder amplificatore (5), e una fase di elaborazione interferometrica di dette immagini sintetiche monostatica e bistatica per misurare almeno due componenti (c1, c2) dello spostamento del bersaglio (T) corrispondenti a dette immagini sintetiche monostatica e bistatica .
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