KR100728526B1 - 지피에스 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점분류방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천해저 탐사에 있어서 무선통신을 이용한 GPS 활용을 통한 공통 중간점(CMP:Common Mid-Point) 분류방법에 관한 것이다.

본 발명의 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법은 해저 지층에 음원을 발파할 때 GPS 수신기에서 수신되는 위치정보를 이용하여 계산되는 개별 수신채널의 중간점 좌표들을 대표할 수 있는 중심 좌표를 선정하는 단계, 상기 중심 좌표들을 연결하여 측선을 대표하는 중심 측선을 만드는 단계, 상기 중간점에서 상기 중심 측선에 수선을 내려 투영시킨 후 교차점을 구하는 단계 및 상기 교차점들로 이루어진 라인을 따라 소정 길이를 갖는 윈도를 설정하는 단계로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법은 자료 취득시 탐사선의 항해 속도가 보다 자유롭고, 최대 해상도는 그룹간격의 1/2 이상으로 높일 수 있으며, 중합수 역시 채널수 이상으로 할 수 있어 해상도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

GPS, 무선통신, CMP, 위치모드, 공통 중간점 분류

Description

지피에스 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법{Method of CMP sorting using GPS}

도 1은 본 발명의 다중채널 해양 탄성파 탐사의 구성도

도 2는 본 발명의 CMP 분류를 위한 중심 측선으로의 투영

도 3은 본 발명의 CMP 윈도를 이용한 CMP 분류원리

도 4는 본 발명의 실시예로 발파 간격에 대한 탐사선의 이동거리

도 5는 본 발명의 실시예로 CMP 분류된 각 공통 중간점에 해당하는 중합수

도 6은 본 발명의 실시예로 발파 간격 1.25m와 CMP 간격 2.5m일때의 8채널 CMP 분류

도 7은 본 발명의 실시예로 속도모드 CMP 분류에 의한 지층 단면도

도 8은 본 발명의 실시예로 위치모드 CMP 분류에 의한 지층 단면도

본 발명은 해양 탄성파 탐사시 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간 점 분류방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 무선통신기로 블루투스를 적용한 GPS를 활용하는 방법 및 공통중간점(CMP:Common Mid-Point) 분류방법으로 채택한 위치모드에 관한 것이다.

해양 탄성파 탐사는 음파를 이용하여 해저 지층을 조사하는 방법으로 반사법과 굴절법이 있으며, 대부분의 해양 탄성파탐사는 반사법을 많이 사용하고 있다. 탐사원리는 해수면 근처에서 전기적 에너지나 물리적 에너지를 이용하여 음파를 발생시키면, 음파는 매질의 속도와 밀도 차이로 인하여 발생하는 음향 임피던스가 경계면(해저면 또는 지층의 경계면)에서 반사되어 되돌아오고, 해수면에 있는 탐사선에 연결된 다중채널의 수신기를 통하여 음파의 신호가 수신된다. 상기 수신기의 각 채널은 여러개의 하이드로폰으로 구성된 하이드로폰 그룹으로 이루어져 있으며, 그룹 간격은 5m이다.

상기와 같은 과정을 일정 시간 간격으로 반복하는 동안 탐사선이 일정 속도로 이동하면서 반사파를 수신하여 기록지에 기록함으로써 해저 지층의 정보를 얻는다.

다중채널 탄성파 탐사에서 필수적으로 해야 하는 과정으로 공통 중간점 분류가 있다. 공통 중간점(CMP) 분류란 같은 중간점을 갖는 트레이스 자료를 하나의 그룹으로 묶는 작업을 의미한다.

심부 해양 탐사용 탄성파 탐사에서는 수신기의 각 채널에 대한 위치를 계산하기 위하여 컴퍼스 버드와 같은 추가 장치가 부착되어 있어, 이들로부터 음원과 수신기의 위치를 얻어 공통 중간점 분류를 한다. 그러나 천해저용으로 개발된 일부 다중채널 해양 탄성파탐사 시스템에서는 이러한 장치를 이용할 수 없어, 각 그룹의 간격에 해당하는 거리만큼 이동하여 발파하는 방법으로 공통 중간점 분류를 하고 있다. 좀더 자세히 설명하면, 하이드로폰 그룹 간격 5m의 8채널 수신기를 이용하여 탐사경우에 그룹간격에 맞게 탐사선의 속도와 발파시간 간격을 맞추어 항해하게 된다. 즉 항해속도가 2.5m/s이고 발파시간 간격이 2초이면, 발파거리 간격은 그룹간격인 5m가 된다.

최대의 중합수를 얻기 위해서는 그룹간격의 1/2에 해당하는 발파거리 간격을 가지게 되며, 이때 채널의 수만큼의 중합수와 그룹 간격의 1/2에 해당하는 수평해상도를 얻을 수 있다.

그러나 심부 해저 탐사용 수신기의 그룹 간격은 12.5m로 발파거리 간격이 매우 크기 때문에 탐사선의 항해속도나 위치를 이용한 발파를 하여도 발파거리 간격을 맞추기가 수월한 편이다. 하지만, 소형 선박으로 이루어지는 천해저용 다중채널 탄성파 탐사에서는 그룹간격이 5m로 작고 조류와 바람 등의 영향으로 그룹간격과 발파거리 간격을 맞추기가 힘든 문제점이 있다.

상기와 같은 종래의 심부 해양 탐사용 다중채널 반사법 탄성파탐사 기법을 그대로 천해저에 적용할 경우 두 가지 문제점이 나타나는데, 하나가 수평해상도가 공통 중간점(CMP) 간격에 의해 결정된다는 점과 다른 하나는 공통 중간점 분류를 위하여 발파시간 간격 동안 상기 하이드로폰 그룹 간격만큼 이동해야 한다는 점이다.

상기 심부 해양 탐사용 다중채널 반사법 탄성파 탐사에서는 정확한 CMP를 얻 기 위하여 채널에 대한 상기 하이드로폰 그룹 간격만큼 이동하여 발파를 해야한다. CMP 분류방법 중 속도모드에 의한 공통 중간점 분류에 따른 상기와 같은 방법은, 탐사선의 이동 속도를 각 채널에 대한 그룹 간격과 발파간격에 맞추어 탐사를 하므로 탐사선이 일정 속도를 유지할 수 없을 경우에는 잘못된 공통 중간점 분류가 되기 쉽다는 단점이 있다. 그리고 상기와 같은 방법에 의한 공통 중간점 분류로는 그룹간격의 1/2, 즉 CMP 간격에 해당하는 수평해상도 보다 조밀한 공통 중간점 분류가 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 최대 수평해상도는 일반적으로 그룹 간격의 1/2이 된다.

상기와 같은 수평해상도 문제는 보다 정밀한 지층구조를 요구하는 연근해 천해저 탐사에서 보다 중요한 요인으로 작용할 수 있으며, 해양에 구조물의 설치를 위하여 해양 지층 조사 목적의 탄성파탐사를 할 경우에 더욱 크게 부각된다. 만약 250m 교량을 건설한다고 가정하면, 상기 간격 5m의 하이드로폰 그룹 간격을 갖는 수신기를 통하여 얻을 수 있는 최대 수평해상도는 2.5m이다. 따라서 교량 건설부지에 대한 지층 정보는 100개 밖에 되지 않으며, 교각의 두께가 2.5m라면 교각위치에 단 한 개의 지층 정보만 얻을 수 밖에 없다.

상기와 같이 적은 수의 지층 정보로 지층을 분석한다면 오류를 범할 위험성이 높아진다는 심각한 문제점이 발생하게 된다. 또한, 다중채널의 탄성파탐사는 수신기를 탐사선의 후미에서 예인을 하면서 운용하게 되는데, 상기와 같은 경우 GPS 수신기의 위치와 탄성파 수신기 사이만큼의 위치 오차를 갖는다. 결국, 교각의 중요 구조물인 교량에 대한 지층 정보뿐만 아니라 위치 정보도 정확히 제시할 수 없 게 된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탐사용 음원과 수신기 후미 부분에 GPS 수신기를 부착하여 매초 실시간으로 무선통신 방법으로 GPS 위치정보를 받고, 상기 받은 위치정보를 CMP 분류하는데 있어서, 위치모드를 채택함으로써 그룹간격에 의하여 결정되는 최대 수평해상도보다 조밀한 수평해상도를 얻을 수 있어 천해저 해양 탄성파 탐사에 효율적으로 활용할 수 있는 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 해저 지층에 음원을 발파할 때 GPS 수신기에서 수신되는 위치정보를 이용하여 계산되는 개별 수신채널의 중간점 좌표들을 대표할 수 있는 중심 좌표를 선정하는 단계, 상기 중심 좌표들을 연결하여 측선을 대표하는 중심 측선을 만드는 단계, 상기 중간점에서 상기 중심 측선에 수선을 내려 투영시킨 후 교차점을 구하는 단계 및 상기 교차점들로 이루어진 라인을 따라 소정 길이를 갖는 윈도를 설정하는 단계로 이루어진 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 1은 다중채널 해양 탄성파 탐사 구성도를 도시한 것으로 예인되는 음원과 수신기 후미 부분에 GPS 수신기를 부착하여 위성으로부터 매초 실시간으로 GPS 위치정보를 받아 송신하고 이를 자료취득 시스템이 수신하여 저장한다. 2개의 GPS 수신기를 음원과 수신기의 후미 부분에 부착하여 운용하는데 있어 문제점으로 나타나는 것이 실시간 데이터 전송이며, 이는 실시간으로 케이블을 이용하여 전송하면 음원의 파워 케이블, 수신기 케이블 이외의 GPS 전송 케이블이 따로 있어야 하는 번거로움을 실시간 무선 통신 장비를 GPS 수신기에 부착하여 탐사선에서는 GPS 위치정보를 무선으로 수신하여 위치정보를 취득하는 방법을 사용하였다.

상기 무선 통신장비는 시리얼 통신용으로 개발되어 최대 1.2km까지 무선 통신이 가능한 「블루투스」를 사용한다. 이 장비는 이제까지 예인식의 해양 탄성파탐사에서 문제점으로 여겨지던 오프셋(offset) 문제를 해결할 수 있는 장비이다.

통신주파수	2.4GHz
통신방법	1:1 실시간 통신
통신가능거리	최대 1.2Km
전원	5V
통신속도	1,200~115,200 Baud rate
타입	RS232 시리얼 타입

표 1은 「블루투스」시스템의 사양을 표로 정리한 것으로 상기 블루투스 무선 통신장비는 실시간 1:1 무선 통신 장비로 PC와 연결하여 초기화 후, 유선 케이블 방식과 동일하게 사용할 수 있으며, 안정적인 통신으로 간섭이 없고 보안성이 뛰어나다. 구동 전원은 5V이며, 사용 주파수는 2.4GHz, 사용 통신 속도는 1,200 ~ 115,200 Buad rate이고, 크기도 소형이다.

입력되는 GPS 좌표를 직교좌표계인 UTM(Universal Transverse Mercator) 또는 TM(Transverse Mercator)으로 변환하고, 두 GPS 수신기의 위치를 이용하여 이미 설정된 수신기의 그룹으로 각 채널의 위치를 계산한다. 각 채널의 위치 정보와 음원의 위치 정보를 이용하여 각 채널의 CMP 좌표 (X,Y)를 계산하여 탄성파탐사 자료의 헤더와 같이 저장한다면 CMP 좌표를 위치모드에 의한 공통 중간점 분류를 할 수 있어 속도모드에 의한 공통 중간점 분류가 갖는 두 가지 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

상기 위치모드에 의한 공통 중간점 분류 방식은 좌표를 기준으로 일정 간격의 공통 중간점 분류용 윈도를 설정하고 윈도 내에 존재하는 모든 공통 중간점을 하나의 공통점으로 간주하여 분류하는 방법이다. 이때 공통 중간점 분류 윈도의 길이가 곧 수평해상도가 된다. 따라서 그룹간격에 의해 결정되는 최대 수평해상도보다 조밀한 수평해상도를 얻을 수 있으며, 발파 시간 간격에 맞추어 일정 거리를 이동해야 하는 어려움도 피할 수 있다.

탐사선의 항해 속도를 천천히 한다면 많은 공통 중간점 수를 만들 수 있어 신호대 잡음비(S/N Ratio)를 향상시킬 수 있다. 또한, 공통 중간점 분류를 위한 윈도를 더욱 조밀하게 하여 높은 수평해상도를 얻을 수 있다. 그리고 이 방식은 정확한 위치 정보를 확보할 수 있어 해상 구조물과 같은 중요 지점에 대한 지층 정보를 최소한의 위치 오차로 얻을 수 있는 장점이 있다.

GPS를 이용하여 공통 중간점을 분류하는 방법을 적용한다면, 지층 단면도에서 수평성분을 거리의 단위로 표현할 수 있게 된다. 일반적인 지층의 단면도에서 수평성분은 발파 수를 의미한다. 즉 "발파간격(시간)×발파 수= 탐사 진행 시간"으로 결국에는 수평·수직 성분 모두가 시간 단위로 표현된다. 이럴 경우에 거리 단위로 표현되어야 할 실제 지층의 형상이 전혀 달리 표현될 수도 있다.

상기와 같은 발파거리 간격과 그룹간격을 이용한 공통 중간점 분류 방법의 문제점과 수평해상도의 한계성을 극복할 수 있는 방법으로 위치모드에 의한 공통 중간점 분류를 위해서 두 대의 GPS 수신기를 음원과 수신기 후미 부분에 부착하여 실시간으로 시리얼 포트를 통해서 두 곳의 위치 정보를 송신하고, 상기 정보를 자료취득 시스템을 이용하여 각 채널에 대한 중간점 좌표를 계산한다.

먼저, 2차원 평면에 퍼져 있는 많은 중간점을 하나의 기준선에 정렬시키기 위하여, 각 발파를 대표할 수 있는 중심 좌표를 선정하고, 상기 좌표들을 연결하여 측선을 대표하는 중심 측선을 만든다. 그러면 탐사는 이 중심 측선에 따라 수행된 것으로 간주할 수 있다. 상기 중심 좌표는 매 발파에서 계산된 중간점의 좌표를 평균하여 계산하게 된다.

도 2는 CMP 분류를 위한 중심 측선으로의 투영을 도시한 것으로 상기 위치모드를 이용한 공통 중간점 분류를 위하여 각각의 중간점 좌표를 중심 측선에 투영하는 방법을 나타낸 것이다.

상기 2차원 평면에 퍼져 있는 많은 중간점들을 중심 측선에 투영하기 위하여 각 중간점에서 중심 측선에 수선을 내려 교차하는 점을 구한다. 이점은 각 중간점의 투영 점이 되며, 만약 탐사선이 일직선으로 항해한다면 각 중간점들은 중심 측선 상에 모두 존재하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서 CMP 윈도를 이용하여 CMP를 분류하는 원리를 도시한 것으로 최종 분류된 공통 중간점을 나타낸 것이다. 모든 중간점들이 중심 측선에 투영되면 중심 측선 상에 모든 점들이 존재하게 된다. 상기 점들을 연결하여 형성된 라인을 따라 공통 중간점 분류를 위하여 특정 길이를 갖는 윈도를 설정한다. 공통 중간점 분류를 위한 윈도가 새로운 항적 라인을 따라 결정되면 하나의 윈도내에 존재하는 모든 중간점은 하나의 공통 중간점으로 취급하여 분류하게 된다. 이렇게 중간점 좌표를 이용하여 분류하면, 발파간격에 대한 이동거리를 이용하여 분류하는 속도모드에 비해 탐사선 속도를 보다 자유롭게 할 수 있다.

상기 공통 중간점 분류를 위한 윈도 길이는 탐사선의 속력과 각 공통 중간점의 중합수를 고려해서 결정해야 한다. 상기 분류를 위한 윈도의 길이는 탐사선의 최대 속도에 의하여 결정되는 최소 길이와 1차 프레넬대의 반경 R₁을 넘지 않는 최대 길이 내에서 결정하는 것이 바람직하다. 상기 분류 윈도의 길이는 최종 단면도에서 수평해상도를 결정하는 중요한 요소이다. 최소 윈도 길이는 각 공통 중간점에 최소 하나 이상의 중합수를 가져야 하며, 최대 윈도 길이는 수평해상도가 낮아지지 않는 범위에서 결정되어야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예로서 각 발파시간 간격에 대한 탐사선의 이동 거리를 나타낸 것이다. 이것을 이용하여 공통 중간점 분류의 윈도 길이를 결정할 수 있다. 탐사선의 발파 당 이동거리는 대부분 1.25m/shot에 가까운 것으로 나타나고 있으며, 평균 발파 당 이동거리는 1.21m/shot이다. 따라서 공통 중간점 분류의 윈도 길이는 1.25m로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 발파 당 이동거리가 갑자기 높거나 낮게 나타나는 곳이 있는데, 이것은 GPS 정보에 오차가 포함된 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 CMP 분류를 실시하여 각 공통 중간점에 해당하는 중합수를 나타낸 것이며 탐사선의 평균 속도는 2.5m/s, 발파시간 간격은 0.5초, 분류 윈도 길이를 1.25m로 설정하여 분류한 결과이다. 최소 중합수는 1로 탐사 측선의 시작부와 끝나는 부분에서 작은 중합수가 나타나고 있다. 최대 중합수는 15이며, 평균 중합수는 8.3개로 보여지고 있다.

대부분의 공통 중간점의 중합수는 8 정도로 나타나는데, 이것은 발파시간 간격이 0.5초이며 탐사선의 속도는 2.5m/s로 매 발파에 대한 이동거리가 약 1.25m 정도일 때 분류 윈도 길이를 1.25m로 설정하여 분류하였기 때문에 평균 중합수 역시 채널 수만큼 나온 것이다.

도면에서 상기 중합수가 약간씩 변화하는 이유는 탐사선의 항적이 일직선상에 있지 않거나 탐사선의 속도가 일정하지 않기 때문이며 상기 도 3과 같이 항적을 일직선으로 유지하면서 등속도로 항해한다면 매 공통 중간점에서는 같은 수의 중합수가 나타나게 된다. 그리고 탐사 속도를 느리게 한다면 수평해상도가 높아지며 중합수 역시 증가하여 신호대 잡음비가 증가한다.

그룹간격과 발파거리 간격 그리고 중합수의 관계를 살펴보면 그룹간격과 발파거리 간격이 같을 때의 중합수는 "채널 수/2"가 되며, 발파거리 간격이 "그룹간격/2"이면 중합수는 "채널 수"가 된다. 이때 수평 해상도는 그룹거리 간격의 1/2이가 된다. 발파거리 간격이 "그룹간격/2"보다 작고, 아래의 식과 같은 조건을 만족한다면 수평 해상도는 발파거리 간격이 되고 중합수는 채널 수가 된다.

S.I = G.I/2ⁿ

상기 S.I는 발파거리 간격(m)이고, G.I는 그룹간격(m)이며, n은 CMP 간격/발파거리 간격으로 결정되는 자연수이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예로서 상기 식에 n이 2(=2.5/1.25)인 경우, G.I가 5m이면, 발파거리 간격은 1.25m가 되고 이때 수평 해상도 1.25m에 중합수 8을 가지는 CMP 분류가 된다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예로서 가덕도 인근 해상에서 발파거리 간격에 대한 이동거리를 이용하여 분류한 속도모드에 의한 공통 중간점 분류 결과와 GPS를 이용한 위치모드에 의한 공통 중간점 분류 결과에 의한 지층 단면도를 각각 나타낸 것이다. 도 7과 도 8의 수평 해상도는 2.5m와 1.25m로 두 배의 차이를 보이고 있다. 또한, 도 7은 도 8에 비해 반사 신호의 수평적 연속성이 많이 떨어지는 것을 볼 수 있다. 특히 기반암 심도 이하(약 90msec 이상)의 반사 신호는 속도모드 공통 중간점 분류 방식으로 취득한 자료보다 세밀한 지층의 정보를 보여 준다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법은 GPS에 무선통신을 적용하여 위치를 파악하고 CMP 분류를 위치모드로 함으로써, 종래의 탐사의 배열간격 및 음원을 축소하여 수평 및 수직 해상도를 향상시켜 천부 탐사용으로 효율적인 적용이 가능하다는 효과가 있다.

또한, CMP 분류방법을 속도모드가 아닌 위치모드를 채택하여 탐사선의 항해가 속도에 구애받지 않아 보다 자유롭고, 최대 해상도도 그룹간격의 1/2 이상으로 높임으로써, 지층 단면도에서 나타나는 수평 해상도를 크게 증진시킬 수 있고, 단 면도 상의 모든 위치는 직교 좌표로 결정된 정확한 위치로서 지층 단면도의 이용 가치를 높일 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법에 있어서,

   (a)해저 지층에 음원을 발파할 때 GPS 수신기에서 수신되는 위치정보를 이용하여 계산되는 개별 수신채널의 중간점 좌표들을 대표할 수 있는 중심 좌표를 선정하는 단계;

   (b)상기 중심 좌표들을 연결하여 측선을 대표하는 중심 측선을 만드는 단계;

   (c)상기 중간점에서 상기 중심 측선에 수선을 내려 투영시킨 후 교차점을 구하는 단계; 및

   (d)상기 교차점들로 이루어진 라인을 따라 소정 길이를 갖는 윈도를 설정하는 단계

   를 포함하는 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 중심 좌표는, 상기 개별 수신채널의 중간점 좌표들의 평균값인 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 윈도의 길이는 탐사선의 속력과 각 공통 중간점의 중합수를 고려해서 결정되는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 윈도의 길이는 탐사선의 최대 속도에 의하여 결정되는 최소 길이와 1차 프레넬대의 반경 R₁을 넘지 않는 길이 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 GPS 수신기는, 음원과 수신기 후미에 부착되며,

   실시간으로 데이터를 송수신하여 위치정보를 파악하기 위해 무선통신기가 상기 GPS 수신기에 부착되는

   GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 GPS 수신기 및 상기 무선통신기는 시리얼 포트를 통하여 실시간으로 정보를 수신받는 것을 특징으로 하는 GPS 수신기의 위치 정보를 이용한 공통 중간점 분류방법.

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