JP5244618B2 - 人間携帯型爆発装置を検出するためのレーダ機器および処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、偏波レーダ反射を処理することによって人間携帯型爆発（ＨＣＥ）装置を検出することに関し、特に、ＨＣＥ検出の向上をもたらすレーダ機器および処理方法に関する。

例えば、自爆者の衣服によって視界から隠されたＨＣＥ装置の存在を検出するめに、様々なテロ対策システムが考案されてきた。ゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らの米国特許第６，９６７，６１２号明細書に記載されている特に効果的なシステムは、注意区域内における潜在的目標のレーダレンジプロファイルを作成し、かつ様々に偏波されたレーダ信号反射を各目標に関して解析し、爆発装置を運んでいる人の特徴である偏波シグネチャを検出する。レーダまたはビデオカメラデータが、注意区域内における１つ以上の目標を識別または追跡するために処理され、サーボ機構が、データ取得および偏波シグネチャ解析のために、レーダを特定の目標に向ける。

本発明は、偏波シグネチャ解析に基づくＨＣＥ検出で用いるためのレーダ機器および処理方法に関する。直交偏波レーダ帰還信号のドップラー処理によって、レーダ視野における移動中の歩行者に関連するレーダ信号内容を分離し、偏波シグネチャ解析用の高品質目標エコーデータを提供する。ドップラー処理が、共偏波および交差偏波レンジ対速度（ドップラー）データマップを生成し、移動中の歩行者に対応する目標エコーデータが識別される。識別された移動中の歩行者のレンジおよび速度座標に関連する共偏波および交差偏波データサブセットが抽出され、そして歩行者が爆発装置を運んでいるかどうかを判定するために、偏波シグネチャ解析にかけられる。ドップラー処理の前の、共偏波および交差偏波レーダ帰還信号の低域通過フィルタリングによって、レーダ機器の明確なレンジを越える対象に関連する信号内容を拒絶するレンジエイリアシングが提供される。

上記で示したように、本発明は、ゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らの前述の米国特許第６，９６７，６１２号明細書に開示されたタイプのスタンドオフ型ＨＣＥ検出システムで用いるためのレーダ機器および処理方法に関し、この特許は引用によって本明細書に援用される。ゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らが記載しているように、偏波レーダ送信に対する目標エコー応答は、共偏波応答および交差偏波応答の形態で受信され、レーダ視野におけるＨＣＥ装置の存在が、共偏波および交差偏波応答の相対的な大きさに基づいて検出される。好ましい実施において、偏波シグネチャ解析には、偏波応答の比率を形成すること、およびこの比率を、ＨＣＥ装置に特有の基準値と比較することが含まれる。レーダは、狭ビームを送信し、照準機器が、保護区域に向かって移動中の歩行者（すなわち潜在的自爆者）などの所与の関心対象にビームを向ける。しかしながら、正確に向けられた狭レーダビームであっても、システムが現実世界の環境で動作される場合には、関心対象に加えて、接近して離間配置された対象も照射することが考えられる。かかる「非関心」対象には、例えば、他の移動中か立ち止まっている歩行者、駐車中か移動中の自動車、木、ビルディング等が含まれ得る。

図１は、ＨＣＥ検出システムが用いられる代表的な現実世界のシナリオを示す。参照番号１０は、一般に、レーダセンサ１２、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１４およびユーザインタフェース装置１６を含むＨＣＥ検出システム１０を示す。ＨＣＥ検出システム１０は、保護区域２０の周囲１８またはその近くに配置され、照準機器（図示せず）が、選択された歩行者２４にレーダセンサ１２のメインビーム２２を向ける。注意区域には、周囲１８の前の場所全体を含んでもよいが、また他の歩行者２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ（移動中か立ち止まっている）、ポストまたは木２８、および駐車中の自動車３０などの様々な非関心対象が含まれる。これらの非関心対象の幾つかが、メインビーム２２によって少なくとも部分的に照射される。図１において、メインビームは、関心対象（すなわち歩行者２４）に加えて、歩行者２６ｅ、ポスト／木２８および駐車中の自動車３０を照射する。さらに、レーダセンサ１２の送信信号には、典型的には、メインビーム２２に加えてサイドローブ３２ａ、３２ｂが含まれ、これらのサイドローブは、歩行者２６ｆ、２６ｇなどの様々な非関心対象を照射する可能性がある。非関心対象のレーダ照射ゆえに、ＤＳＰ１４によって処理される共偏波および交差偏波応答には、関心対象の信号内容に加えて、非関心信号内容（すなわち雑音（クラッタ））が含まれる。かかるクラッタは、関心対象（すなわち歩行者２４）の偏波シグネチャを歪ませるかまたは偽装する可能性があるので、ＨＣＥシステム１０の信号対クラッタ電力比（ＳＣＲ）を最大にすることが重要である。同様の理由で、レーダセンサ１２は、適度に高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有して高品質の偏波シグネチャを生成する一方で、図１の自動車３０またはビルディングなどの大きなレーダ断面を有する離れた非関心対象に関連する信号内容を拒絶しなければならない。

本発明は、上記で概説した性能問題に取り組み、かつ雑然として非常に多様な環境においてさえ正確で信頼できるスタンドオフ型ＨＣＥ検出のための高品質偏波シグネチャを生成する。本発明は、パルスドップラーレーダ機器を利用して、移動中の対象に一意的に関連する目標エコーデータを取得する。なぜなら、移動（特に保護区域２０へ向かっての移動）は、自爆者に非常に特徴的だからである。適切な信号処理をすれば、それによって、レーダ視野内の静止対象に関連するクラッタだけでなく、関心対象と異なる速度で移動中の対象が自動的に拒絶される。ＳＮＲは、比較的長いパルス幅を備えた線形周波数変調送信波形を利用し、かつ多数のパルスにわたって目標エコー信号のレンジビンデータをコヒーレントに積分することによって、所与の送信機出力電力レベルのために最適化される。さらに、ハードウェアおよびＤＳＰフィルタリングを利用して、レーダの明確なレンジおよび速度限界を超える非関心対象に関連する信号を抑える（squelch）。

図２を参照すると、本発明によるレーダ機器１２は、一般に、偏波送信アンテナ４０、共偏波受信アンテナ４２および交差偏波（すなわち直交偏波）受信アンテナ４４を備えたパルスまたはチャープ・ドップラーレーダと記載してもよい。共偏波および交差偏波帰還信号は、目標識別および追跡ならびに偏波解析のためにＤＳＰ１４に供給され、ＨＣＥ検出結果が、インタフェース装置１６に出力される。

送信波形は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４６によって生成され、増幅器４８を介して送信アンテナ４０に供給される。信号発生器５０は、ライン５２を介してＤＳＰ１４によって周期的にリセットされる線形傾斜である、ＶＣＯ４６用の制御電圧を生成する。これによって、図３にグラフで示すように、ＶＣＯ４６において線形周波数変調が行われる。例として、図３の変調波形は、１０〜２０００マイクロ秒のパルス幅を有してもよく、放射送信波形は、２〜１０，０００ＭＨｚの周波数帯域幅を有してもよい。図３には図示していないが、リセットに関連する過渡現象の実質的な減少を可能にするために、パルス間に非常に短いブランキング間隔（１〜５マイクロ秒など）がある。幅の長い送信パルスおよびほぼ１００％のデューティサイクルによって、たとえ短距離であっても優れたレンジ分解能が提供され、所与の送信機出力電力レベルのために感度が最大にされる。

アンテナ４２および４４によってそれぞれ受信される共偏波および交差偏波目標エコー信号は、増幅器５４および５６を通過され、次に、ミキサ５８および６０において送信波形の複製とミキシングされ、ライン６２および６４において共偏波および交差偏波ベースバンド信号を生成する。図２のダイアグラムでは、送信波形複製は、ピックアップ装置６６によって取得され、スプリッタ６８によって複製される。レーダ帰還信号が送信信号の複製とミキシングされるので、ライン６２および６４におけるベースバンド信号は、それぞれの目標エコー信号の遅延に比例する周波数を示す。送信信号が周波数において掃引しているので、ベースバンド信号は、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）７０および７２ならびに低域通過フィルタ７１および７３によって調整される。次に、フィルタリングされたベースバンド信号は、Ａ／Ｄ変換器７４および７６によってデジタル化され、ライン７８および８０を介してＤＳＰ１４に供給される。必要に応じて、送信波形に対して複製波形を遅延させるようにスプリッタ６８を構成して、拡張されたレンジカバレッジを提供することができる。高域通過フィルタ７０および７２は、主として、受信機ノイズおよびミキサバイアスによる低周波（例えば５０ｋＨｚ未満）信号内容を拒絶するように動作するが、代りに、帯域通過フィルタとして実現してもよい。さらに、高域通過フィルタリングは、ショートレンジの目標エコー信号を減衰させる傾向があり、それによって、目標レンジに対して信号応答を正規化する。低域通過フィルタ７１および７３の目的は、以下で論じる。

図４のブロック図は、本発明おけるＤＳＰ１４の機能を表す。ライン７８および８０におけるデジタル共偏波および交差偏波ベースバンドレーダ帰還信号入力は、ブロック８２〜１０８によって処理されてＨＣＥ検出判定を形成し、その判定が、図１〜２に従ってインタフェース装置１６に出力される。最初に、共偏波および交差偏波ベースバンド信号入力は、離れた非関心対象に関連する信号内容を拒絶するために、低域通過フィルタ８２および８４によってフィルタリングされる。これは、特にビルディングおよび車両などの大きな離れた対象の場合には重要である。なぜなら、かかる対象は、典型的には、通常の関心対象すなわち歩行者よりはるかに大きなレーダ断面（ＲＣＳ）を有するからである。拒絶されなければ、かかる離れた対象（すなわち、レーダセンサ１２の明確なレンジを越える対象）からの目標エコー信号が、明確なレンジに「折り込まれ」、関心対象に関連する目標エコー信号を歪める。本発明によれば、離れた目標エコーリターンは、最初に、アナログ低域通過フィルタ７１および７３によってある程度減衰される。離れた目標エコー信号は、ブロック８２および８４における、デジタル化されたベースバンド信号の低域通過フィルタリングとともに、Ａ／Ｄブロック７４および７６においてベースバンド信号をオーバーサンプリングすることによって、さらに減衰される。低域通過フィルタ７１および７３の高周波ロールオフによって、ブロック８２および８４の低域通過機能が補足される。Ａ／Ｄオーバーサンプリングは、デジタルフィルタ８２および８４の性能を向上させ、またレーダの明確なレンジを拡張して、アナログフィルタブロック７１および７３の拒絶能力を向上させる。

次に、フィルタリングされた共偏波および交差偏波ベースバンド信号は、ブロック８６および８８によって示すように、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析にかけられる。共偏波および交差偏波ベースバンド信号における各目標エコーパルスに対して、ＦＦＴブロック８６および８８はレンジプロファイルを生成するが、各プロファイルには、照射視野へと投影された連続的および切れ目のない近接するレンジビンの信号強度に対応するデータサンプルシーケンスが含まれる。ＦＦＴブロック８６によって生成されたレンジプロファイルデータは、データ表またはマップ９０に格納され、ＦＦＴ８８によって生成されたレンジプロファイルデータは、同様にデータ表９２に格納される。図解では、各データ表の行は、所与の目標エコーパルスのためのレンジプロファイルデータを格納し、表９０および９２は、ＦＦＴブロック８６および８８が一連の目標エコーパルスを処理するにつれて、レンジプロファイルデータで満たされる。

データ表９０および９２が満たされると、任意で所定のレンジの共偏波目標エコー応答は、表９０の対応する列におけるレンジプロファイルデータを読み出すことによって取得することができ、交差偏波応答は、表９２から同様に取得することができる。ＦＦＴ９４は、表９０の各レンジビンの共偏波目標エコー応答を積分して、そこにおける目標のパルス対パルス位相（ドップラー）シフトを測定する。ＦＦＴ９６は、同様に、表９２に格納された交差偏波目標エコー応答を解析する。レーダセンサ１２に向かう目標（すなわち半径方向速度を有する目標）の移動によって、連続パルス間において位相シフトのほぼ一定の変化が生成されるので、ブロック９４および９６のＦＦＴ積分は、一定の半径方向速度を備えた移動目標用の整合フィルタとしての役割をする。ＦＦＴブロック９４および９６の積分間隔は、所与の送信機出力電力レベル用にレーダのＳＮＲを最大にするために、比較的長い（５０ミリ秒程度）が、しかしながら、歩行者の加速能力に対しては短い。したがって、関心対象（すなわち図１の歩行者２４）の速度は、積分間隔にわたって一定であり、ＦＦＴブロック９４および９６の積分は、レーダ視野における移動中の歩行者に対する整合フィルタを効果的に構成する。したがって、静止対象およびレーダ視野内の関心対象とは異なる速度で移動中の対象に関連する信号クラッタは、自動的に拒絶されて、レーダのＳＣＲを実質的に向上させる。これは、下記で記載するように、図５の現実世界の例で示されている。

表９０の各レンジビンに対してＦＦＴ９４によって生成された速度（ドップラー）信号強度（振幅）データは、表９８に格納され、ＦＦＴ９６によって生成されたデータは、同様に、データ表１００に格納される。表９０および９２のレンジビンのそれぞれが積分された後、表９８および１００にそれぞれ格納されたデータ、レンジ対速度データは、解析可能状態になる。

図５は、図１に示すような現実世界のシナリオのための、表９８に格納された共偏波レンジ対速度データのグラフ表示であるが、ここでは、歩行者２４が、約１００ｍのレンジでレーダセンサ１２の方へ歩いている。この場合に、非関心対象は、静止しているかまたはレーダセンサ１２に向かう実質的な速度を有せず、かつ様々なレンジビンにおいて、しかしほぼゼロ速度で一連のエコーを生成する。かかるエコーは、クラッタとして無視される。対照的に、関心対象２４によって、適正なレンジビンにおいて有意の非ゼロ速度リターンが生成され、関心のある目標に関連する目標エコー信号内容をはっきり分離することが可能になる。

図４に戻ると、ブロック１０２〜１０６は、０．５〜１０秒などの長期間にわたる、表９８に格納された共偏波レンジ対速度データを処理して、関心対象用のデータシーケンスを形成する。表１００に格納された交差偏波データも同様に処理可能だが、検出および追跡のためには共偏波データが好ましい。なぜなら、共偏波データは、典型的には、対応する交差偏波データよりも電力が著しく高いからである。現実世界の注意区域には幾つかの関心対象があり得るので、ブロック１０２〜１０６はまた、かかる各関心目標用にデータシーケンスを別々にグループ化するように設計される。表９８がレンジ対速度データで満たされるごとに、ブロック１０２（検出器）は、表９８を走査して関心目標用の共偏波応答を見つけ出し、各目標応答が位置する（レンジ、速度）座標を生成する。したがって、検出ブロック１０２の出力は、（レンジ、速度）座標のリストであり、各検出された目標に対する１つの座標セットである。ブロック１０４（トラッカ）は、ブロック１０２のベクトル出力を、目標に特有の履歴データトラックに割り当てることによって、各関心目標のレンジおよび速度座標を経時的に追跡する。ブロック１０４が、ベクトル出力を履歴データトラックに割り当てるごとに、ブロック１０６（データ抽出）は、偏波シグネチャ解析のために、共偏波データ表９８および交差偏波データ表１００の両方から応答データサブセットを取り出す。ブロック１０６は、各関心目標について抽出された共偏波および交差偏波データのマトリックスを格納し、このデータを、ゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らの前述の米国特許第６，９６７，６１２号明細書に記載されているような偏波シグネチャ解析のためにブロック１０８（ＰＳＡ）に供給する。この特許に記載されているように、ブロック１０８は、各関心目標用に偏波比率の履歴レコードを維持し、ＨＣＥ装置が存在するかどうかを判定する。次に、ＨＣＥの判定結果は、上記で言及したように、インタフェース装置１６に供給される。

要約すると、本発明は、特に移動中の歩行者に適用されるように、偏波シグネチャ解析を用いてＨＣＥ装置のスタンドオフ型検出の有用性を向上させる。図示の実施形態に関連して本発明を記載したが、上記で言及したものに加えて多数の修正および変更が当業者の心に浮かぶことが理解されよう。一般に、レーダセンサ１２は、偏波レーダエネルギを送信し、かつ照射対象のレンジによって分離できる共偏波および交差偏波目標エコー信号の形態で反射レーダエネルギを受信するように、構成しなければならない。当業者は理解するであろうように、この目的は、例えば、狭パルス送信、非線形周波数変調、位相もしくは振幅変調、またはノイズもしくは擬似ランダムノイズシーケンスによる変調を始めとする様々なレーダ技術を用いて達成することができる。同様に、ＶＣＯ４６は、完全な合成信号源と取り替えもよく、ドップラー処理は、記載したデジタル機械化の代わりに、アナログフィルタのバンクで機械化することができる。同様に、様々な送信および受理アンテナ構成ならびに偏波の組み合わせを、例えばゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らの前述の米国特許第６，９６７，６１２号明細書に記載されているように利用してもよい。したがって、本発明が、開示された実施形態に限定されないこと、およびその完全な範囲が特許請求の範囲の言語によって可能になることが意図されている。

本発明のレーダ機器を用いてＨＣＥ装置を検出する現実世界のシナリオの図である。 本発明に従って共偏波および交差偏波目標エコー信号を処理するためのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む線形ＦＭパルスレーダアーキテクチャのブロック図である。 図２のレーダ送信信号用のＦＭパターンを示すグラフ図である。 図２のＤＳＰの機能を記載するブロック図である。 レーダ機器に向かって移動中の歩行者の場合における、図２のＤＳＰによって収集されたレンジ対速度（ドップラー）データの図である。

Claims (15)

1. 人間携帯型爆発（ＨＣＥ）装置用のスタンドオフ型検出方法であって、
   関心のある移動中の歩行者を照射する偏波レーダエネルギビームを送信するステップと、
   目標レンジにおいて分離される共偏波および交差偏波目標エコー信号を生成するように帰還レーダエネルギを受信するステップと、
   前記目標エコー信号をドップラー処理し、目標レンジおよび目標速度の関数として共偏波および交差偏波目標エコー応答をマッピングするステップと、
   前記関心のある移動中の歩行者に対応する、前記マッピングされた共偏波および交差偏波目標エコー応答の部分を識別するステップと、
   前記マッピングされた共偏波および交差偏波目標エコー応答の前記識別された部分を評価して、前記関心のある歩行者がＨＣＥ装置を運んでいるかどうかを判定するステップとを含むスタンドオフ型検出方法。
2. 前記関心のある移動中の歩行者の目標レンジおよび目標速度座標を決定するステップと、
   前記決定された目標レンジおよび目標速度座標に対応するマッピングされた共偏波および交差偏波目標応答を抽出するステップと、
   前記抽出された共偏波および交差偏波目標応答の偏波シグネチャ解析を実行して、前記関心のある歩行者がＨＣＥ装置を運んでいるかどうかを判定するステップとを含む請求項１に記載のスタンドオフ型検出方法。
3. 前記決定された目標レンジおよび目標速度座標に基づいて、前記マッピングされた共偏波および交差偏波目標応答のマトリックスを抽出するステップと、
   前記抽出されたマトリックスの偏波シグネチャ解析を実行して、前記関心のある歩行者がＨＣＥ装置を運んでいるかどうかを判定するステップとを含む請求項２に記載のスタンドオフ型検出方法。
4. 前記マッピングされた共偏波目標応答を評価して、前記関心のある移動中の歩行者の目標レンジおよび目標速度座標を決定するステップを含む請求項２に記載のスタンドオフ型検出方法。
5. 線形周波数変調送信信号に基づいた偏波レーダエネルギビームで、前記関心のある移動中の歩行者を照射するステップと、
   共偏波および交差偏波帰還レーダエネルギ信号を別々に受信するステップと、
   前記受信した共偏波および交差偏波帰還レーダエネルギ信号を、前記線形周波数変調送信信号の複製とミキシングして、レンジに相関して周波数が異なる共偏波および交差偏波目標エコー信号を形成するステップとを含む請求項１に記載のスタンドオフ型検出方法。
6. 前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を処理して、目標レンジが異なる目標エコー信号プロファイルを生成するステップと、
   各目標レンジに対して前記目標エコー信号プロファイルをドップラー処理し、目標レンジおよび目標速度の両方の関数として前記共偏波および交差偏波目標エコー応答をマッピングするステップとを含む請求項１に記載のスタンドオフ型検出方法。
7. パルスでレーダエネルギの送信ビームを周波数変調するステップと、
   一連の帰還レーダエネルギパルスにわたり、目標レンジによって前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を解析し、前記目標エコー信号プロファイルを生成するステップとを含む請求項６に記載のスタンドオフ型検出方法。
8. ドップラー処理の前に、前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を低域通過フィルタリングして、前記レーダエネルギビームの明確なレンジを越える照射対象に対応する目標エコー信号を拒絶するステップを含む、請求項１に記載のスタンドオフ型検出方法。
9. 人間携帯型爆発（ＨＣＥ）装置のスタンドオフ型検出機器であって、
   関心のある移動中の歩行者を照射する偏波レーダエネルギビームを放射するためのレーダ送信機と、
   反射レーダエネルギを受信し、かつ目標レンジにおいて分離される共偏波および交差偏波目標エコー信号を生成するためのレーダ受信機と、
   前記共偏波および交差偏波目標エコー信号をドップラー処理して、目標レンジおよび目標速度の関数として共偏波および交差偏波目標エコー応答をマッピングし、前記関心のある移動中の歩行者に対応する前記マッピングされた共偏波および交差偏波目標エコー応答の部分を識別し、そして、前記マッピングされた共偏波および交差偏波目標エコー応答の前記識別された部分を評価して、前記関心のある歩行者がＨＣＥ装置を運んでいるかどうかを判定する信号プロセッサとを有するスタンドオフ型検出機器。
10. 前記信号プロセッサが、前記関心のある移動中の歩行者の目標レンジおよび目標速度座標を決定し、前記目標レンジおよび目標速度座標に対応するマッピングされた共偏波および交差偏波目標応答を抽出し、かつ前記抽出された目標応答の偏波シグネチャを評価して、前記関心のある歩行者がＨＣＥ装置を運んでいるかどうかを判定する請求項９に記載のスタンドオフ型検出機器。
11. 前記信号プロセッサが、前記マッピングされた共偏波目標応答を評価して、前記目標レンジおよび目標速度座標を決定する請求項１０に記載のスタンドオフ型検出機器。
12. 前記レーダ送信機が、線形周波数変調送信信号による前記レーダエネルギを放射し、
    前記レーダ受信機が、前記反射レーダエネルギの共偏波および交差偏波信号バージョンを別々に受信する手段と、前記共偏波および交差偏波信号バージョンを、前記線形周波数変調送信信号の複製とミキシングして、目標レンジに相関して周波数が異なる共偏波および交差偏波目標エコー信号を形成する手段とを含む請求項９に記載のスタンドオフ型検出機器。
13. ドップラー処理の前に、前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を低域通過フィルタリングして、前記レーダエネルギビームの明確なレンジを越える照射対象に対応する目標エコー信号を拒絶するフィルタ手段をさらに含む請求項９に記載のスタンドオフ型検出機器。
14. 前記信号プロセッサが、
    前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を処理して、目標レンジが異なる一連の共偏波および交差偏波目標エコー信号プロファイルを生成するレンジ処理手段と、
    各目標レンジに対して目標エコー信号プロファイルをドップラー処理し、目標レンジおよび目標速度の関数として前記共偏波および交差偏波目標エコー応答をマッピングするドップラー処理手段とを含む請求項９に記載のスタンドオフ型検出機器。
15. 前記レーダ送信機が、線形周波数変調パルスを含む送信信号による前記レーダエネルギを放射し、
    前記レンジ処理手段が、一連の反射レーダエネルギパルスにわたり前記共偏波および交差偏波目標エコー信号を処理して、前記目標エコー信号プロファイルを生成する請求項１４に記載のスタンドオフ型検出機器。

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