JP6485538B2 - 信号処理装置、処理方法とプログラム、ならびに、目標検出装置、検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、音波、電波、又は、光波等の波動を用いて目標を検出する技術に関する。

ソナーシステム、レーダーシステム、又は、ライダーシステムのように、音波、電波、又は、光波等の波動を用いて目標を検出する目標検出装置が知られている。このようなシステムには、送信器から波動を送信し所定時間の経過後に再び波動を送信するパルス送信が用いられる。パルス送信によって、目標からの反射波がどの時点で送信した波動であるかが明確になり、さらに、送信器近傍の媒質からの散乱による影響を排除することができる。

一方、目標を連続的に検出する場合、送信器は連続的に波動を送信する。この場合、目標からの反射波がどの時点に送信した波動によるものであるか判別するため、送信器は、波動を変調して送信する。また、送信器近傍における媒質からの散乱の影響を低減するために、特許文献１に記載のように受信器と送信器の設置間隔を所定の距離だけ離す、あるいは、適応ビームフォーミングにより送信器又は受信器のビーム形状、又は、ビームの向きを変更する必要がある。

しかしながら、送信器と受信器の設置間隔を所定の距離だけ離せない場合は、散乱の影響を十分に低減することができない。また、ビーム形状を変更しても散乱の影響を十分に低減できない場合がある。さらにビームの向きを変える場合、目標からの反射波が小さくなり、目標を検出できなくなる。

媒質からの散乱の影響を避ける方法として、特許文献２には、目標が移動している場合、目標からの反射波の周波数がドップラシフトすることを利用して目標からの反射波を媒質からの散乱から分離する方法が記載されている。また、特許文献３には、偏波特性が異なる２つの電波が反射することで得られる２つの散乱波の差分に基づき、土地の被覆状況を知ることが記載されている。

その他、散乱波の影響を避ける技術として、特許文献４には、マイクロ波を地上に照射し、レーダ画像の後方散乱係数と植生地の相関関係を求める技術が記載されている。特許文献５には、変調パルス信号による受信信号障害を回避するために目標までの距離に応じて変調パルス信号の送信電力を変える技術が記載されている。特許文献６には、媒質内の目標に向けて進行する進行波と目標から前方に散乱する前方散乱波の混合波から、散乱波を分離して目標を探索する技術が記載されている。特許文献７には、地中レーダで受信の遅延時間に応じて受信感度を変えて目標を検出する技術が記載されている。

米国特許第７８５２７０９号明細書 特許第３３６７４６２号公報 特開２００１−１７４５４５号公報 国際公開第２０１０／０５５９１５号 特開２０１４−０８９２１２号公報 特開２０１０−００８２９５号公報 特開２００６−０９８１１２号公報

しかしながら、特許文献２、３に記載の媒質からの散乱の低減は、いずれもパルス送信のみを考慮した手法である。また、特許文献４から７の開示は、波動を連続的に送信して目標を検出する際に、媒質からの散乱の影響を低減するものではない。

本発明の目的は、波動を連続的に送信して目標を検出する際に、媒質からの散乱の影響を低減する技術を提供することにある。

本発明の目標検出装置の一形態は、媒質を伝搬する波動を連続して送信する送信器と、前記媒質中で反射した前記波動の反射波を受信する受信器と、検出距離範囲における前記媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの散乱波の信号を、前記受信器が受信した前記反射波の信号から除去して出力する信号処理装置と、前記信号処理装置からの出力に基づいて、前記媒質中の目標を検出する検出器と、を備える。

本発明の目標検出方法の一形態は、媒質を伝搬する波動を連続して送信し、前記媒質中で反射した前記波動の反射波を受信し、検出距離範囲における前記媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの散乱波の信号を、前記受信した前記反射波の信号から除去して出力し、前記出力に基づいて、前記媒質中の目標を検出する。

本発明の検出プログラムの一形態は、媒質を伝搬する波動を連続して送信し、前記媒質中で反射した前記波動の反射波を受信し、検出距離範囲における前記媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの散乱波の信号を、前記受信した前記反射波の信号から除去して出力し、前記出力に基づいて、前記媒質中の目標を検出する、ことを、コンピュータに実行させる。

本発明の信号処理装置の一形態は、媒質を伝搬する波動が送信器から連続して送信され、前記媒質中で反射した前記波動の反射波が受信器で受信された、前記反射波の信号を処理する信号処理装置であって、前記信号処理装置は、検出距離範囲における前記媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定する推定部と、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの前記散乱波の信号を、前記受信器が受信した前記反射波の信号から除去し、出力する散乱低減部と、を備える。

本発明の信号処理方法の一形態は、媒質を伝搬する波動が送信器から連続して送信され、前記媒質中で反射した前記波動の反射波が受信器で受信された、前記反射波の信号を処理する信号処理方法であって、検出距離範囲における媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの散乱波の信号を、前記受信器が受信した前記反射波の信号から除去する。

本発明の処理プログラムの一態様は、媒質を伝搬する波動が送信器から連続して送信され、前記媒質中で反射した前記波動の反射波が受信器で受信された、前記反射波の信号を処理する信号処理方法であって、検出距離範囲における媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記媒質からの散乱波の信号を、前記受信器が受信した前記反射波の信号から除去する、ことをコンピュータに実行させる。

本発明は、波動を連続的に送信して目標を検出する際に、媒質からの散乱の影響を低減することができる。

第１の実施形態に係る信号処理装置、目標検出装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る目標検出装置の動作を示すフローチャートである。 パルス送信による目標検出のために体積残響を考慮する範囲を示す図である。 連続送信による目標検出のために体積残響を考慮する範囲を示す図である。 第１の実施形態に係る目標検出装置における検出距離範囲を示す図である。 直交座標系における送信ビーム、受信ビームの方向を示す図である。 直交座標系と極座標系の関係を示す図である。 信号処理装置のハードウエア構成を示すブロック図である。

第１の実施形態である信号処理装置、及び、目標検出装置について、図１を用いて説明する。なお、第１の実施形態は、水中に存在する目標を音波によって検出する目標検出装置、当該目標検出装置に用いる信号処理装置の例である。

図１は、第１の実施形態に係る信号処理装置３、目標検出装置１０の構成を示すブロック図である。目標検出装置１０は、送信器１、受信器２、信号処理装置３、検出器４を備える。

送信器１は、水中の目標に向けて音波を連続して送信する機能を有する。なお、水は、媒質と言い換えることができる。また、音波は、波動と言い換えることができる。

受信器２は、水中を伝搬する音波が媒質中で反射した反射波を受信する機能を有する。媒質中で反射した反射波には、媒質中の目標からの反射波の他に、媒質からの散乱波も含まれる。

信号処理装置３は、媒質中で反射した反射波（目標からの反射波及び媒質からの散乱波）を受信した受信器２からの出力に対して、マスキング領域における媒質からの散乱の影響を低減させる機能を有する。ここでマスキング領域とは、受信器２が媒質からの散乱波を受信する範囲のうち、散乱波の影響が大きい受信器２から近距離までの距離範囲をいう。なお、マスキング領域を規定する受信器２からの距離範囲の例については、信号処理装置３の構成の説明とともに後述する。

検出器４は、信号処理装置３からの出力に基づいて、水中の目標を検出する機能を有する。

上記、送信器１、受信器２及び検出器４の構成は、水中の目標を音波で検出するアクティブ・ソナー装置の基本構成としてよく知られているものである。

次に、第１の実施形態の信号処理装置３について詳細に説明する。図１に示すように、信号処理装置３は、推定部５、散乱低減部６を備える。

信号処理装置３の推定部５は、検出距離範囲における媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となるときの媒質までの距離を検出距離範囲の下限距離とし、その下限距離を推定する機能を有する。散乱低減部６は、受信器２から下限距離までのマスキング領域における媒質からの散乱波の信号を、受信器２が受信した反射波の信号から除去する機能を有する。

ここで、第１の実施形態における検出距離範囲、及び、下限距離について説明する。図３は、パルス送信によって目標検出のために体積残響を考慮する範囲を示す図である。図４は、連続送信による目標検出のために体積残響を考慮する範囲を示す図である。図３、図４中、送信器及び受信器は１つの送受信装置として記載している。図３に示すように、パルス送信の場合、目標検出のために体積残響を考慮する範囲は、媒質中の目標が存在する位置までの距離と同程度の距離範囲（例えば、その距離を半径とする円弧の周辺の範囲）となる。これに対し、第１の実施形態の目標検出装置１０のように音波を連続して送信する場合（図４）、目標検出のために体積残響を考慮する範囲は、目標近傍の距離範囲以外からの残響（散乱）も考慮する必要がある。また、媒質からの散乱波は、遠距離よりも近距離の方がその影響が大きい。このため、目標検出装置１０の検出器４は、目標からの反射波の強度レベルが、媒質からの散乱波の強度レベルに埋もれると目標が検出できなくなる。

図５は、第１の実施形態に係る目標検出装置における検出距離範囲を示す図である。図５中、送信器と受信器は送受信装置として表している。本実施形態の目標検出装置１０では、散乱波の影響が大きい受信器から近距離を下限距離ｒ_ｍｉｎとし、受信器から下限距離ｒ_ｍｉｎまでの距離範囲をマスキング領域とし、その距離範囲よりも遠くに位置する領域を検出距離範囲とする。
図１に示す信号処理装置３の推定部５は、図５に示す検出距離範囲の媒質からの散乱波の強度レベルが、目標検出装置１０の検出器４での許容レベル以下になる場合の下限距離ｒ_ｍｉｎを推定する。検出距離範囲は、送受信装置の受信器からの距離が図５に示す下限距離ｒ_ｍｉｎと同じかそれより長い距離の範囲である。

以下に下限距離ｒ_ｍｉｎの推定法について説明する。図６は、ｘｙｚ座標系における送信ビーム、受信ビームの方向を示す図である。図６上、送信器、受信器は、ｘｙｚ座標の原点（０，０，０）に配置され、送信ビーム、受信ビームの中心はｘ軸にあるとする。送信ビーム、受信ビームはガウシアンビームであり、送信ビームと受信ビームのビーム径は同じであるとする。

図６の直交座標系で示された送信ビーム、受信ビームの方向を、極座標系に置き換えて説明する。図７は、直交座標系と極座標系との関係を示す図である。受信ビーム、送信ビームにおけるガウシアン分布上の強度Ｂ_１（ｒ，θ，φ）、Ｂ_２（ｒ，θ，φ）は、極座標ではそれぞれ式（１）、式（２）のように表される。

（ｒ：原点からの距離、θ：方位角、φ：仰角、σ_θ：ある方位角におけるビーム径の標準偏差、σ_φ：ある仰角におけるビーム径の標準偏差）
一方、送信器１から単位距離における軸上の音の強さをＩ₀とする。
極座標（ｒ，θ，φ）における微小体積は、ｄｒ・ｒｄθ・ｒｓｉｎθｄφ＝ｒ^２ｓｉｎθｄｒｄθｄφと表すことができる。この微小体積に入射する音の強さＩは式（３）のようになる。

後方散乱強度ｓ_ｖをデシベル単位で表すと、Ｓ_ｖ＝１０ｌｏｇｓ_ｖとなる（ｓ_ｖも後方散乱強度）。後方散乱強度とは、入射音波強度に対する、散乱層単位体積当たりの入射方向への散乱音波の強度の比である。微小体積（＝ｒ^２ｓｉｎθｄｒｄθｄφ）による受信点での散乱強度レベルは式（４）となる。

受信器２は、これを受信ビームの座標Ｂ_１（ｒ，θ，φ）で受けるので、受信器２における出力電力は、式（５）のようになる（レスポンスを１としている）。

全領域（０≦ｒ≦＋∞）の散乱強度レベルＲは式（５）を積分することで得られる。

ここで、送受信装置からの距離ｒが下限距離ｒ_ｍｉｎと同じかそれより長い（ｒ_ｍｉｎ≦ｒ）距離となる検出距離範囲における散乱強度レベルＲ´は、式（７）で表される。

式（７）のｒの積分は式（８）となる。

ここで、式（７）のφの積分は、ビームについて全周に渡って積分することを意図しており、φ＝０に中心を持つビームは物理的にφ＝０に対して対称であるため−πから＋πの積分と読み替える。さらに、積分範囲の中心から離れる-π≦φ＜πの積分を-∞＜φ＜∞の積分と近似することで式（９）のように求まる。

式（７）のθの積分はｓｉｎθのθについてテーラー展開し、例えば、θについて３次までの項を見ると、式（１０）のように求まる。

式（７）の検出距離範囲における散乱強度レベルＲ´は式（１１）のように表すことができる。

検出距離範囲の散乱強度レベルＲ´を目標検出装置の検出器で許容できる散乱強度レベルＲ_ａ以下にすることから、許容散乱強度レベルＲ_ａは、下限距離ｒ_ｍｉｎを用いて式（１２）のように表すことができる。

よって、検出距離範囲の下限距離であるｒ_ｍｉｎは、式（１３）に示すσ_φ、σ_θ、Ｉ_０、ｓ_ｖ、Ｒ_ａを用いて求めることができる。

なお、推定部５は、下限距離ｒ_ｍｉｎを求める際に、媒質の吸収損失を考慮することより正確な下限距離ｒ_ｍｉｎの推定が可能となる。

散乱低減部６は、受信器２が受波する媒質からの散乱のうち、受信器２からの距離ｒが０≦ｒ≦ｒ_ｍｉｎとなるマスキング領域における媒質からの散乱を除去する。これにより、後段の検出器４で目標を検出する際に、検出距離範囲において波動が伝搬する媒質からの散乱強度レベルＲ´が許容散乱強度レベルＲａ以下となる。

マスキング領域（０≦ｒ≦ｒ_ｍｉｎ）における媒質からの散乱は、下限距離ｒ_ｍｉｎの検出距離範囲とマスキング領域との変調状況を変えることで区別する。例えば、散乱低減部６は、ＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いることで検出距離範囲からの散乱強度レベルＲ´と区別することができる。ＬＦＭによる送信波の周波数は、時間に比例して変調されるため、時刻ｔ＝０の周波数がｆ＝ｆ_０であり、それより前の時刻ｔ＝ｔ_１に周波数がｆ＝ｆ_１で送信された送信波がｒ_ｍｉｎに到着したとする。このとき散乱低減部６は、ｆ_１≦ｆ≦ｆ_０の範囲の周波数である反射波を除去することにより、０≦ｒ≦ｒ_ｍｉｎの範囲の散乱を除去することができる。

なお、マスキング領域における媒質からの散乱の除去するために変調状況を変える例としてＬＦＭを用いて説明したが、他の周波数変調を用いてもよい。また、周波数変調以外に、位相変調、振幅変調のような他の変調情報を用いてもマスキング領域における媒質からの散乱を除去できる。

次に、第１の実施形態の目標検出装置の動作について図面を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係る目標検出装置の動作を示すフローチャートである。図１および図２に示すように、目標検出装置１０の送信器１は、水中の目標に向けて音波（波動）を連続して送信する（Ｓ１０１）。続いて、目標検出装置１０の受信器２は、水中を伝搬する音波が媒質中で反射した反射波を受信する（Ｓ１０２）。媒質中で反射した反射波には、媒質中の目標からの反射波の他に、媒質からの散乱波も含まれる。

次に、目標検出装置１０の信号処理装置３は、媒質中で反射した反射波を受信した受信器２からの出力に基づいて、マスキング領域における媒質からの散乱波の出力を除去することで、媒質からの散乱の影響を低減させる。

具体的には、信号処理装置３の推定部５は、検出距離範囲における媒質からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる検出距離範囲の下限距離を推定する（Ｓ２０１）。さらに、信号処理装置３の散乱低減部６は、受信器２から下限距離までのマスキング領域における媒質からの散乱波の信号を、受信器２が受信した反射波の信号から除去し（Ｓ２０２）、出力する。

そして、目標検出装置１０の検出器４は、信号処理装置３からの出力に基づいて、水中の目標を検出する。

また、第１の実施形態における目標検出装置は、波動として音波を用いる例を示して説明したがこれに限られるものではなく、電波又は光波のような波動を用いることができる。

（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態の信号処理装置によれば、波動を連続的に送信して目標を検出する際に、媒質からの散乱の影響を低減することができる。また、第１の実施形態の目標検出装置によれば、媒質からの散乱の影響が低減されることで、媒質中の目標を検出が容易になる。

（ハードウエア構成）
図８は、第１の実施形態の信号処理装置をコンピュータ装置で実現するためのハードウエア構成を示す図である。信号処理装置３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９１、ネットワーク接続用の通信Ｉ／Ｆ（通信インターフェース）９２、メモリ９３、及び、プログラムを格納するハードディスク等の記憶装置９４を含むハードウエアにより構成される。ＣＰＵ９１は、システムバス９７を介して入力装置９５及び、出力装置９６に接続されている。

ＣＰＵ９１は、オペレーティングシステムを動作させて第１の実施形態に係る信号処理装置３の推定部５、散乱低減部６における所定の処理を実行する。またＣＰＵ９１は、例えば、ドライブ装置に装着された記録媒体からメモリ９３にプログラムやデータを読み出す。また、ＣＰＵ９１は、例えば、受信器２などから入力される情報信号を処理する機能を有し、プログラムに基づいて各種機能の処理を実行する。

記憶装置９４は、例えば、光ディスク、フレキシブルディスク、磁気光ディスク、外付けハードディスク、又は半導体メモリ等である。記憶装置９４の一部の記憶媒体は、不揮発性記憶装置であり、そこにプログラムを記憶する。また、プログラムは、通信網に接続されている、図示しない外部コンピュータからダウンロードされてもよい。

入力装置９５は、マウス、キーボード、内蔵のキーボタン、又は、タッチパネルなどで実現され、入力操作に用いられる。出力装置９６は、例えば、ディスプレイで実現され、ＣＰＵ９１により処理された情報等を出力して確認するために用いられる。

以上のように、第１の実施形態の信号処理装置３は、図８に示されるハードウエア構成によって実現される。信号処理装置３は、物理的に結合した一つの装置により実現されてもよいし、物理的に分離した二つ以上の装置を有線又は無線で接続し、これら複数の装置により実現してもよい。

以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１５年２月１８日に出願された日本出願特願２０１５−０２９２２４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 送信器
２ 受信器
３ 信号処理装置
４ 検出器
５ 推定部
６ 散乱低減部
１０ 目標検出装置
９１ ＣＰＵ
９２ 通信Ｉ／Ｆ（通信インターフェース）
９３ メモリ
９４ 記憶装置
９５ 入力装置
９６ 出力装置
９７ システムバス

Claims (6)

1. 水中を伝搬する音波を連続して送信する送信器と、
   前記水中で反射した前記音波の反射波を受信する受信器と、
   検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力する信号処理装置と、
   前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出する検出器と、
   を備え、
   前記送信器は、周波数変調、位相変調、又は、振幅変調して前記音波を送信し、
   前記信号処理装置は、前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき前記マスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を除去する、
   目標検出装置。
2. 水中を伝搬する音波を連続して送信する送信器と、
   前記水中で反射した前記音波の反射波を受信する受信器と、
   検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力する信号処理装置と、
   前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出する検出器と、
   を備え、
   前記送信器は、線形周波数変調して前記音波を送信し、
   前記信号処理装置は、前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき前記マスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を除去する、
   目標検出装置。
3. 送信器が、水中を伝搬する音波を連続して送信し、
   受信器が、前記水中で反射した前記音波の反射波を受信し、
   信号処理装置が、検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力し、
   検出器が、前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出し、
   前記送信器は、周波数変調、位相変調、又は、振幅変調して前記音波を送信し、
   前記信号処理装置は、前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき前記マスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を除去する、
   目標検出方法。
4. 送信器が、水中を伝搬する音波を連続して送信し、
   受信器が、前記水中で反射した前記音波の反射波を受信し、
   信号処理装置が、検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力し、
   検出器が、前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出し、
   前記送信器は、線形周波数変調して前記音波を送信し、
   前記信号処理装置は、前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき前記マスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を除去する、
   目標検出方法。
5. 水中を伝搬する音波を連続して送信する送信器と、前記水中で反射した前記音波の反射波を受信する受信器と、信号処理装置と、前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出する検出器とを備える目標検出装置の検出プログラムであって、
   前記音波は、前記送信器により線形周波数変調して送信され、
   前記信号処理装置に、
   検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、
   前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力する、
   ことを実行させる検出プログラム。
6. 水中を伝搬する音波を連続して送信する送信器と、前記水中で反射した前記音波の反射波を受信する受信器と、信号処理装置と、前記信号処理装置の出力に基づき、前記水中の目標を検出する検出器とを備える目標検出装置の検出プログラムであって、
   前記音波は、前記送信器により線形周波数変調して送信され、
   前記信号処理装置に、
   検出距離範囲における前記水中からの散乱波の強度レベルが許容レベル以下となる前記検出距離範囲の下限距離を推定し、
   前記受信器で受信した反射波の変調情報に基づき、前記受信器から前記下限距離までのマスキング領域における前記水中からの散乱波の信号を前記受信器が受信した反射波の信号から除去して出力する、
   ことを実行させる検出プログラム。

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