JP4909867B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、メインローブやサイドローブから入力される妨害波が存在する不要波環境下で、目標距離や目標方位を測定するレーダ装置に関する。

図１５は、不要波環境下における信号の状態を説明するための図である。電波環境においては、図１５（ａ）に示すように、目標の他に、クラッタのような連続妨害やパルス妨害といった不要波が混在している。このような不要波環境下において、レーダ装置のアンテナで受信される受信信号は、図１５（ｂ）に示すように、目標と不要波が混合された混合信号１〜混合信号３である。したがって、目標信号のみを分離して取り出すことができないので、目標に対する測距や測角を行うことができない。

このような不要波環境下で目標信号を検出し、目標までの距離および目標の方位を検出するためには、クラッタによる連続妨害波とパルス妨害波を同時に抑圧する必要がある。このためには、例えば、ＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing）を適用することができる。なお、ＳＴＡＰの詳細は、非特許文献３に説明されている。
（ＩＣＡ処理） 根本訳、詳解独立成分分析、東京電機大学出版局、pp.164-217,2005 （複素ＩＣＡ） ELLA BINGHAM,AAPO HYVARINEN,"A FAST FIXED-POINT ALGOTITHM FOR INDEPENDENTCOMPONENT ANALYSIS OF COMPLEX VALUED SIGNALS",International Journal of Neural Systems,Vol.10,No.1(Feb.2000) （ＳＴＡＰ処理） Richard Klemm,"SPACE-TIME ADAPTIVE PROCESSING",IEE RADAR,SONAR,NAVIGATION AND AVIONICS 9,pp.110-118(1998)

しかしながら、上述したＳＴＡＰを適用しても、メインローブクラッタやメインローブ妨害波に対しては、不要波抑圧性能が十分でなく、目標を検出できない場合がある。また、ＳＴＡＰを適用すると処理規模または回路規模が大きくなるという問題がある。また、目標を検出するためにＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を適用することも考えられるが、ＩＣＡによって得られる信号は、振幅そのものを保持していないため、モノパルスビームによる測角ができないという問題がある。なお、ＩＣＡについては、非特許文献１および非特許文献２に説明されている。

本発明の課題は、不要波環境下であっても目標検出能力を高めることができ、また、処理規模または回路規模を増大させずに、目標に対する測距および測角を行うことができるレーダ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、位相中心が異なる複数のサブアレイを含むアンテナと、アンテナの複数のサブアレイから送られてくるサブアレイ信号に対してＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部で分離された信号から目標信号を検出して目標までの距離を計測する信号検出／測距部と、アンテナの複数のサブアレイから送られてくるサブアレイ信号から、信号検出／測距部で計測された距離の周りに存在するＭ個（Ｍは正の整数）のセルを抽出するＭセル抽出部と、Ｍセル抽出部で抽出されたＭ個のセルの信号を用いてモノパルスビームを合成するモノパルスビーム合成部と、モノパルスビーム合成部で合成されたモノパルスビームにＳＴＡＰを適用するＳＴＡＰ部と、ＳＴＡＰ部においてＳＴＡＰが適用されたモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行う測角部を備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、モノパルスビーム合成部で合成されたモノパルスビームを対象ビームとし、該対象ビームの周りの複数のモノパルスビームをモノパルスビーム合成部に生成させるビーム制御部を備え、ＳＴＡＰ部は、モノパルスビーム合成部で生成された複数のモノパルスビームにＳＴＡＰを適用し、測角部は、ＳＴＡＰ部においてＳＴＡＰが適用された複数のモノパルスビームから目標を検出し、該検出した目標に対するモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行うことを特徴とする。

第１の発明によれば、ＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波信号とを分離して目標を検出するので、目標検出能力を高めることができるとともに正確な測距を行うことができ、また、検出された目標までの距離の回りに存在するＭ個のセルに対してＳＴＡＰを適用してモノパルスビームによる測角を行うので、ＳＴＡＰの処理規模または回路規模を小さくして目標に対する測角を行うことができる。

また、第２の発明によれば、モノパルスビーム合成部で合成されたモノパルスビームを対象ビームとし、該対象ビームの周りの複数のモノパルスビームにＳＴＡＰを適用し、このＳＴＡＰが適用された複数のモノパルスビームから目標を検出し、該検出した目標に対するモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行うので、ＳＴＡＰでは検出できないメインローブ内の目標が、メインローブから外れた場合であっても、処理規模または回路規模を増大させることなくＳＴＡＰにより目標を検出でき、また、モノパルスビームにより測角を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、アンテナ１、ＩＣＡ処理部２、信号抽出部３、信号検出／測距部４、Ｍセル抽出部５、モノパルスビーム合成部６、ＳＴＡＰ部７および測角部８を備えている。

アンテナ１は、図２に示すように、複数のサブアレイから成る円開口アンテナ１０と小型アンテナ１１とを備えている。円開口アンテナ１０は、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、モノパルスビームを作成するために、もともと開口２分割されており、ＥＬ方向をＮ（Ｎは正の整数）分割した単位で区分して合成されるので、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成前の信号）が得られる。この「Ｎ」は、サブアレイの数が、後述する独立成分の数以上になるように決定される。

各サブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ１０は、Ｎ×２の自由度を持っている。円開口アンテナ１０を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮとしてＩＣＡ処理部２およびＭセル抽出部５に送られる。

小型アンテナ１１はオプションであり、自由度が不足する場合に、円開口の一部として追加的に配置される。この小型アンテナ１１が配置される位置および数は任意である。小型アンテナ１１から出力されるサブアレイ信号Ｓ１〜ＳＰ（Ｐは正の整数）は、ＩＣＡ処理部２およびＭセル抽出部５に送られる。

ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１からのサブアレイ信号に基づき、独立成分分析（ＩＣＡ）により、目標と不要波とが混在する混合波から目標信号を分離する。ＩＣＡの詳細については、非特許文献１に説明されているが、ここでは、ＩＣＡの原理について、簡単に説明する。

今、独立変数をＳとすると、観測行列Ｘは、混合行列Ａを用いて次式で表現できる。

ここで、観測変数を一般化して時空間（時間−空間）軸で表現すると、

Ａ ；混合行列
ｘ ；観測変数
Ｎ ；サブアレイ数（ＡＺ軸／ＥＬ軸）
Ｍ ；ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval；パルス繰り返し間隔）数
ｓ ；独立変数
ＮＭ；観測変数の数
Ｐ ；独立変数の数
ｋ ；サンプル数（レンジセル数）
Ｔ ；転置
である。空間軸のみの場合はＭ＝１とし、時間軸のみの場合は、Ｎ＝１とすることができる。図３は、ＩＣＡ処理部２に入力信号として入力される観測変数を示す。観測変数は、２次元サブアレイによる空間におけるＡＺ軸およびＥＬ軸上の２次元信号であり、時間軸上では、複数のＰＲＩ単位の各々に対するレンジセル毎の信号となる。図４は、観測変数を取得するための実際の構成を示す図である。

ＩＣＡとは、独立成分および混合行列に関する情報を利用せずに、独立成分が統計的に独立であるという仮定のみを用いて、観測行列Ｘから、混合行列Ａを推定する方法である。すなわち、復元データをＹとすると、

となるようなＹの各成分が互いに独立になるように復元行列Ｗを算出するものである。この場合、独立成分および混合行列に関する情報を利用しないため、復元データの成分の大きさおよび順序には曖昧性が残ることになる。

このＩＣＡに先立ち、前処理として、無相関化が行われる。これにより、復元行列の算出が容易になる。

ここで、
Ｑ ；無相関化のための変換行列
Ｉ ；単位行列
Ｅ｛ ｝；平均
この無相関化したＸを用いて、復元行列を算出するアルゴリズムは、例えば複素数ＦＡＳＴ ＩＣＡでは、次の通りである（詳細は、非特許文献２参照）。

ここで、
Ｈ ；共役転置
＊ ；複素共役
‖ ‖ ；ノルム
ｇ ；関数
ｇ’ ；ｇの導関数
例えば、次式の通り（ａは定数）。

以上により、独立成分の１成分あたりの復元行列Ｗを算出できたことになる。これを複数の成分に拡張するために、グラムシュミットの直交化法に基づく方法により、次式の演算が行われる。

ここで、
ｐ ；ｐ番目の独立成分（ｐ＝１〜Ｐ）
以上説明したＩＣＡのアルゴリズムは、一例であり、独立性の評価量として、尖度（４次キュムラント）を用いる方法（非特許文献１参照）等といった他の方法を用いることもできる。

このＩＣＡ処理部２における処理により、例えば図５に示すような、目標、クラッタおよび妨害波が混在する電波環境においても、目標、クラッタおよび妨害波の各々の信号を分離することができる。

すなわち、図６（ａ）に示すような、目標の他に、クラッタのような連続妨害やパルス妨害といった不要波が混在している不要波環境下において、アンテナ１からは、図６（ｂ）に示すような、目標と不要波とが混合された混合信号１〜混合信号３が得られるが、ＩＣＡ処理部２は、図６（ｃ）に示すように、目標、パルス妨害および連続妨害の各波に分離し、それぞれ、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号として信号抽出部３に送る。

信号抽出部３は、独立成分毎に、図７に示すように、所定のスレショルドを超える信号を抽出する。具体的には、信号抽出３は、図７（ａ）に示すように、ＩＣＡ処理部２から送られてきた信号が、周期的にスレッショルドを超える場合はパルス妨害信号として抽出し、図７（ｂ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号の数個が、所定の幅でスレッショルドを超える場合はパルス状の目標信号として抽出し、図７（ｃ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号が、連続的にスレッショルドを超える場合は連続妨害信号またはクラッタ信号として抽出する。この信号抽出部３で抽出された信号は、信号検出／測距部４に送られる。

信号検出／測距部４は、信号抽出部３で抽出された目標信号を所定のスレッショルドと比較し、目標信号が所定のスレッショルドより大きい場合に、目標である旨を検出する。そして、その検出した目標までの距離を測定し、目標距離として外部に出力するとともに、その目標距離に存在するセル（目標）を、検出セルとしてＭセル抽出部５に送る。

Ｍセル抽出部５は、ＳＴＡＰに使用するために、図８に示すように、アンテナ１から送られてくるＰＲＩ毎のサブアレイ信号の中から、信号検出／測距部４から送られてくる検出セルの周りのＭ個（Ｍは正の整数）のセル、つまり目標距離の周りに存在するＭ個のセルを抽出する。このＭセル抽出部５で抽出されたＭ個のセルは、モノパルスビーム合成部６に送られる。

モノパルスビーム合成部６は、Ｍセル抽出部５から送られてくるＭ個のセルのレンジセルの信号を用いて、モノパルスビーム（ΣおよびΔ、または、スクイント測角の場合は、ΣＬおよびΣＵビーム）を合成する。このモノパルスビーム合成部６で合成することにより得られたモノパルスビームは、ＳＴＡＰ部７に送られる。

ＳＴＡＰ部７は、モノパルスビーム合成部６から送られてくるモノパルスビーム、つまり目標距離の回りのＭ個のセルに対してＳＴＡＰ処理を実施し、その結果を測角部８に送る。ＳＴＡＰ処理においては、図４に示すＩＣＡ処理部２をＳＴＡＰ部７に置き換えた構成が使用され、入力信号としては、ＩＣＡ処理部２に入力される信号と同じ信号が用いられる。このＳＴＡＰの最適ウェイトＷoptは、直接解法（詳細は、非特許文献１参照、）の場合は、次式で表すことができる。

ここで、
Ｒｘｘ：入力信号ｘの相関行列
Ｓ ：スアリングベクトル

上記は、リニアアレイの場合である。

θｂ ：ビーム指向方向
ｐ ：周波数バンク番号（ｐ＝１〜Ｐ）
ｋ ：波数ベクトル
ｄｎ ：サブアレイｎの位相中心の位置ベクトル（ｎ＝１〜２Ｎ）
Ｈ ：複素共役転置
ｊ ：虚数単位
なお、ウェイトの演算方法としては、直接解法に限らず、ＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）法やグラムシュミット法等といった他の方法を用いることもできる。ＭＳＮ法については、『菊間信良、“アレーアンテナによる適応信号処理”、科学技術出版（1999) pp.67-86』に、グラムシュミット法については、特開平０２−０３９７０５号公報にそれぞれ説明されている。上述したＳＴＡＰ処理により、メインローブクラッタとサイドローブ妨害を同時に抑圧することができる。この様子を図９に示す。

上述した処理を、ΣビームとΔビーム（スクイント測角の場合は、ΣＬビームとΣＵビーム）に対して適用し、測角部８でモノパルス測角を実施することにより、測角値が算出される。すなわち、測角部８は、図１０（ａ）に示すような位相モノパルスデータΣおよびΔ（ΔＡＺ、ΔＥＬ）ビームといった２つのビームの比をとって誤差電圧Ｅを求める。誤差電圧Ｅは、下記（８）式により求められる。

ここで、
Ｒｅ；複素数の実部
Σ ；和ビーム
Δ ；差ビーム
そして、この求めた誤差電圧Ｅと、あらかじめ取得したアンテナパターンから求めた図１０（ｂ）に示すような測角曲線のテーブルと比較することにより、測角値ψ（ＡＺ、ＥＬ）を得る（非特許文献１参照）。この測角部８で算出された測角値は、目標方位として外部に出力される。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を、測距および測角処理を中心に、図１１に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、サブアレイ入力が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、アンテナ１のサブアレイから得られるサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮが、ＩＣＡ処理部２およびＭセル抽出部５に送られる。次いで、ＩＣＡ処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１から送られてくるサブアレイ信号を、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号に分離して信号抽出部３に送る。次いで、信号抽出が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、信号抽出部３は、独立成分毎に、所定のスレショルドを超える信号を抽出し、パルス妨害信号、目標信号、あるいは、連続妨害信号またはクラッタ信号として信号検出／測距部４に送る。

次いで、信号検出が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、信号検出／測距部４は、信号抽出部３から送られてきた信号が目標信号である場合に、所定のスレッショルドと比較し、目標信号が所定のスレッショルドより大きい場合に、目標である旨を検出する。次いで、測距が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、信号検出／測距部４は、ステップＳ１４で検出された目標までの距離を測定し、目標距離として外部に出力するとともに、その目標距離に存在するセル（目標）を、検出セルとしてＭセル抽出部５に送る。

次いで、Ｍセル抽出が行われる（ステップＳ１６）。すなわち、Ｍセル抽出部５は、アンテナ１から送られてくるＰＲＩ毎のサブアレイ信号の中から、信号検出／測距部４から送られてくる検出セルの周りのＭ個のセルを抽出し、モノパルスビーム合成部６に送る。モノパルスビーム合成部６は、Ｍセル抽出部５から送られてくるＭ個のセルに基づきモノパルスビームを合成し、ＳＴＡＰ部７に送る。

次いで、ＳＴＡＰ処理が行われる（ステップＳ１７）。すなわち、ＳＴＡＰ部７は、モノパルスビーム合成部６から送られてくるモノパルスビーム、つまり目標距離の回りのＭ個のセルに対してＳＴＡＰ処理を実施し、その結果を測角部８に送る。

次いで、測角が行われる（ステップＳ１８）。すなわち、測角部８は、位相モノパルスデータΣ、Δ（ΔＡＺ、ΔＥＬ）を用いて、誤差電圧Ｅを算出し、この算出した誤差電圧Ｅと、あらかじめ取得したアンテナパターンから求めた誤差電圧のテーブルと比較することにより測角値を算出し、目標方位として外部に出力する。その後、測距および測角処理は終了する。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るレーダ装置によれば、ＩＣＡ処理部２によってＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波信号とを分離して目標を検出するので、目標検出能力を高めることができるとともに正確な測距を行うことができる。また、信号検出／測距部４で検出された目標までの距離の回りに存在するＭ個のセルに対してＳＴＡＰを適用してモノパルスビームによる測角を行うので、ＳＴＡＰの処理規模または回路規模を小さくして目標に対する測角を行うことができる。

なお、上述した実施例１に係るレーダ装置では、目標信号がパルス状であるものとして説明したが、不要波と識別できる形状であれば、目標信号の形状は、パルス状でなくてもよい。

また、上述した実施例１では、本発明をレーダ装置に適用した場合について説明したが、本発明は、レーダ装置に限らず、不要波と区別できる目標信号が得られる場合は、例えば受信装置にも適用できる。

また、妨害方位を測角する場合には、信号抽出部３で抽出した連続妨害やパルス妨害の方位を目標信号と同様の方法で検出することもできる。

本発明の実施例２に係るレーダ装置は、メインローブ妨害の場合のように、ＳＴＡＰでは目標を検出することができず、その結果、測角もできない場合に対処するために、ＩＣＡによって目標距離がわかっているので、目標または妨害が、メインローブ内から外へ出る場合を待ち受けるようにしたものである。目標または妨害のいずれかがＩＣＡで検出した初期メインローブから外れると、妨害がサイドローブ妨害に対応することになり、ＳＴＡＰによりクラッタと妨害を抑圧できるので、目標を検出できる。

図１２は、本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、図１に示した実施例１に係るレーダ装置に、ビーム制御部９が追加されて構成されている。

ビーム制御部９は、初期メインロ−ブの回りにＬ本（Ｌは正の整数）の待ち受けビームを形成するために、順次に変化する指向方向をモノパルスビーム合成部６に指示する。

モノパルスビーム合成部６は、ビーム制御部９から送られてくる指向方向の各々に対して、モノパルスビーム（ΣおよびΔ、または、スクイント測角の場合は、ΣＬおよびΣＵビーム）を合成し、ＳＴＡＰ部７に送る。

ＳＴＡＰ部７は、モノパルスビーム合成部６から送られてくるモノパルスビーム、つまり目標距離の回りのＭ個のセルに対してＳＴＡＰ処理を実施し、その結果を測角部８に送る。

測角部８は、ＳＴＡＰ部７においてＳＴＡＰが適用された複数のモノパルスビームから目標を検出し、該検出した目標に対するモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行う。この様子を図１３に示す。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、測距および測角処理を中心に、図１４に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、上述した実施例１に係るレーダ装置の動作を示す図８のフローチャートにおける処理と同じ処理には、図８で使用した符号と同一の符号を付して説明を簡略化する。

まず、ステップＳ１１〜ステップＳ１７までの処理は図８に示すそれらと同じである。次いで、信号検出が行われる（ステップＳ２１）。次いで、測角が行われる（ステップＳ１８）。

次いで、Ｌ本のビーム指向方向に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２２）。このステップＳ２２において、Ｌ本のビーム指向方向に対する処理が終了していないことが判断されると、指向方向を次の指向方向に変化させる（ステップＳ２３）。その後、ステップＳ１６に戻って上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ２２において、Ｌ本のビーム指向方向に対する処理が終了したことが判断されると、レーダ装置の測距および測角処理は終了する。

本発明は、処理規模または回路規模を小さくすることが要求されるレーダ装置または受信装置などに利用可能である。

本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で使用されるアンテナ（アブアレイ）の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置に入力信号として入力される観測変数を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置において観測変数を取得するためのアンテナの実際の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置が適用される電波環境を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置において行われるＩＣＡを説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置においてＩＣＡ処理部で分離された信号の抽出および識別を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置において、ＳＴＡＰ用のセルを抽出する様子を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置において、ＳＴＡＰによりメインローブクラッタとサイドローブ妨害を同時に抑圧する様子を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置において行われるモノパルス測角処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を、測距および測角処理を中心に示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置において、ＳＴＡＰによりメインローブクラッタとサイドローブ妨害を同時に抑圧する様子を示す図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、測距および測角処理を中心に示すフローチャートである。 従来のレーダ装置で計測する不要波環境下における信号の状態を説明するための図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ ＩＣＡ処理部
３ 信号抽出部
４ 信号検出／測距部
５ Ｍセル抽出部
６ モノパルスビーム合成部
７ ＳＴＡＰ部
８ 測角部
９ ビーム制御部

Claims (2)

1. 位相中心が異なる複数のサブアレイを含むアンテナと、
   前記アンテナの複数のサブアレイから送られてくるサブアレイ信号に対してＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
   前記ＩＣＡ処理部で分離された信号から目標信号を検出して目標までの距離を計測する信号検出／測距部と、
   前記アンテナの複数のサブアレイから送られてくるサブアレイ信号から、前記信号検出／測距部で計測された距離の周りに存在するＭ個（Ｍは正の整数）のセルを抽出するＭセル抽出部と、
   前記Ｍセル抽出部で抽出されたＭ個のセルの信号を用いてモノパルスビームを合成するモノパルスビーム合成部と、
   前記モノパルスビーム合成部で合成されたモノパルスビームにＳＴＡＰを適用するＳＴＡＰ部と、
   前記ＳＴＡＰ部においてＳＴＡＰが適用されたモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行う測角部とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記モノパルスビーム合成部で合成されたモノパルスビームを対象ビームとし、該対象ビームの周りの複数のモノパルスビームを前記モノパルスビーム合成部に生成させるビーム制御部を備え、
   前記ＳＴＡＰ部は、前記モノパルスビーム合成部で生成された複数のモノパルスビームにＳＴＡＰを適用し、
   前記測角部は、前記ＳＴＡＰ部においてＳＴＡＰが適用された複数のモノパルスビームから目標を検出し、該検出した目標に対するモノパルスビームを用いてモノパルス測角を行うことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。

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