KR101233402B1 - 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서 - Google Patents

거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서 Download PDF

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최석규
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Abstract

본 발명은 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서에 관한 것으로, 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 밀리미터파 신호 출력부;상기 밀리미터파 신호 출력부로부터 공급된 신호를 안테나로 공급하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 안테나를 통하여 수신하는 서큘레이터;상기 서큘레이터를 통하여 공급되는 밀리미터파 신호를 목표 물체로 방사하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 수신하여 서큘레이터로 전달하는 안테나;상기 서큘레이터를 통하여 전달되는 수신 신호를 선택적으로 스위칭하여 상기 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 off 상태이면 수동 이미지 신호 처리부로 출력하고, 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 on 상태이면 하향주파수 혼합기로 출력하는 스위치;상기 하향 주파수 혼합기에서 출력되는 신호를 두 개의 신호로 분배하여 하나의 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Waveguide) 레이더 신호로 출력하고 다른 하나의 신호를 능동 이미지 신호 처리부로 출력하는 분배기;를 포함한다.

Description

거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서{Hybrid Milimeter Wave Image Sensor with detect distance between sensor and target using single antenna}
본 발명은 밀리미터파 이미지 센서에 관한 것으로, 구체적으로 단일 안테나를 사용하여 능동과 수동 밀리미터파 이미지 처리와 목표물과의 거리 탐지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있도록 구성하여 상황에 따라 효율적인 사용이 가능하도록 한 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서에 관한 것이다.
최근 레이더 및 센서의 개발이 필요해짐에 따라 밀리미터파 대역(30 ~ 300 GHz)의 부품 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래 기술에서는 엑스레이 기술로 은닉물체 탐지 센서의 연구가 진행되고 상품화되어 시장이 형성되어 있다. 그러나 엑스레이의 경우는 방사능 피폭 문제뿐만 아니라 인권 침해의 문제도 있어 일반적으로 거부감을 갖는다. 이러한 이유로 인체에 무해한 밀리미터파를 이용한 센서들의 개발이 진행되고 있다.
이와 같은 밀리미터파 센서들의 연구와 개발로 최근에는 근거리에서 사용하는 은닉물체 탐지뿐만 아니라 원거리의 물체를 식별할 수 있는 응용분야에 연구가 진행중이다. 예를 들어 안개 속의 물체나 산불시 연기 속의 사람을 찾는 이미지 센서가 있다.
이하에서 종래 기술의 수동형 및 능동형 밀리미터파 이미지 센서에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 수동형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 능동형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도이다.
수동형 밀리미터파 이미지 센서의 원리는 다음과 같다.
모든 물체는 고유의 방사 에너지가 존재하는데 이를 밀리미터파 이미지 센서로 측정이 가능하다. 이는 입력된 신호를 가공하여 물체의 종류 및 형상을 만들기가 가능하다.
이러한 원리를 이용하는 수동형 밀리미터파 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 목표물체(11)에서 자연적으로 방사되는 노이즈 형태의 신호 (Ns)를 안테나(12)로 수신하고 증폭기(13)에서 검파기의 동작 범위 내로 증폭시킨다. 검파기(14)는 입력된 밀리미터파 신호를 DC 형태의 신호로 변형시켜 저주파 증폭기(15)와 저주파 필터(16)를 거쳐 PC(17)에서 영상처리를 한다.
그러나 수동 밀리미터파 이미지 센서는 원거리에서는 물체에서 방사되는 에너지의 양이 감소하여 입력되기 때문에 수신되는 신호가 미약하여 물체의 종류 및 형상을 만들기가 쉽지 않다.
또한, 수동 이미지 센서는 비교적 낮은 해상도를 갖기 때문에 작은 물체 (수십 밀리미터 이하)의 윤곽선을 뚜렷하게 나타내기가 쉽지 않다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 능동 밀리미터파 이미지 센서가 사용되는데, 그 구성은 다음과 같다.
수동 밀리미터파 이미지 센서와의 가장 큰 차이는 능동 밀리미터파 이미지 센서는 신호원(28)이 존재하며, 신호원(28)으로부터 방사되는 신호가 목표 물체(21)에서 반사되어 나오는 신호로 목표물 탐지를 한다.
목표물로부터 반사되어 나온 신호는 자연적으로 방사되는 신호보다 월등히 큰 에너지를 갖기 때문에 보다 멀리 존재하는 목표물을 탐지 가능하며, 보다 뚜렷한 형상을 획득할 수 있게 한다.
능동 밀리미터파 이미지 센서는 수동 이미지 센서보다 서큘레이터(29)와 신호원(28)을 추가적으로 사용한다. 서큘레이터(29)는 신호원(28)과 안테나(22) 그리고 증폭기(23)의 3 단자에 신호를 단방향으로 순환시키는 역할을 한다.
서큘레이터(29)를 통하여 입력된 신호를 증폭기(23)에서 검파기의 동작 범위 내로 증폭시키고 검파기(24)는 입력된 밀리미터파 신호를 DC 형태의 신호로 변형시켜 저주파 증폭기(25)와 저주파 필터(26)를 거쳐 PC(27)에서 영상처리를 한다.
이상에서와 같이 능동과 수동 밀리미터파 이미지 센서는 해상도 및 주변 환경에 따라 선택되어 사용한다. 그러나 실외의 경우는 능동 및 수동의 단일 이미지 센서로는 영상을 얻기 어려운 경우가 있다. 이러한 이유로 현재 능/수동 혼합 이미지 센서들이 개발되고 있다.
그러나 현재 개발되고 있는 능/수동 혼합 이미지 센서는 두 개의 다른 센서를 하나의 시스템에 접목하여 사용하고 있다. 이러한 시스템의 단점으로는 안테나를 비롯한 여러 다른 부품을 별도로 사용하기 때문에 시스템의 규모가 커지며 가격이 비싸지는 단점이 있다.
이를 보완하기 위해 능/수동 이미지 센서를 한 개의 센서로 제작하여 각각의 장점을 활용할 수 있는 이미지 시스템이 개발되고 있으나, 단순한 이미지 형상화만 가능한 것으로 다양한 환경에서의 사용이 제한되는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 밀리미터파 이미지 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 단일 안테나를 사용하고 능동과 수동 밀리미터파 이미지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있도록 구성하여 상황에 따라 효율적인 사용이 가능하도록 한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단일 안테나를 사용하여 능동과 수동 밀리미터파 이미지 처리와 목표물과의 거리 탐지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있도록 구성하여 상황에 따라 효율적인 사용이 가능하도록 한 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단일 안테나를 사용하여 능동,수동 혼합형 밀리미터파 이미지 센서와 FMCW 레이더를 집적화하는 구조를 갖는 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 밀리미터파 신호 출력부;상기 밀리미터파 신호 출력부로부터 공급된 신호를 안테나로 공급하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 안테나를 통하여 수신하는 서큘레이터;상기 서큘레이터를 통하여 공급되는 밀리미터파 신호를 목표 물체로 방사하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 수신하여 서큘레이터로 전달하는 안테나;상기 서큘레이터를 통하여 전달되는 수신 신호를 선택적으로 스위칭하여 상기 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 off 상태이면 수동 이미지 신호 처리부로 출력하고, 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 on 상태이면 하향주파수 혼합기로 출력하는 스위치;상기 하향 주파수 혼합기에서 출력되는 신호를 두 개의 신호로 분배하여 하나의 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Waveguide) 레이더 신호로 출력하고 다른 하나의 신호를 능동 이미지 신호 처리부로 출력하는 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 밀리미터파 신호 출력부는,변조 신호를 출력하는 변조 신호원과,상기 변조 신호원의 변조 신호가 입력되면 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 신호원과,상기 신호원의 밀리미터파 신호를 두 개의 신호로 분배하는 분배기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 수동 이미지 신호 처리부는,전달되는 수신된 잡음 레벨의 신호를 검파기의 동작 영역으로 증폭시키는 증폭기와,상기 증폭기의 출력 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기와,상기 검파기를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기와,상기 저주파 증폭기에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 능동 이미지 신호 처리부는,전달되는 밀리미터파 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기와,상기 검파기를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기와,상기 저주파 증폭기에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 밀리미터파 신호원으로부터의 신호를 방사하고, 목표 물체로부터 반사되는 신호의 수신을 단일 안테나로 가능하도록 하여 구조를 단순화할 수 있다.
둘째, 밀리미터파 이미지 센서의 사용 환경에 맞게 수동 이미징 동작과 능동 이미징 동작이 자동으로 제어되도록 하여 실제 사용시에 편리성을 높일 수 있다.
셋째, 단일 안테나를 사용하여 능동과 수동 밀리미터파 이미지 처리와 목표물과의 거리 탐지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있다.
넷째, 목표 물체의 형상화뿐만 아니라 거리 탐지가 가능하여 많은 분야에 적용이 가능하다.
다섯째, 선박이나 항공기 등에 적용하는 경우에는 안개 속이나 연기 속의 물체, 물속의 암초 등의 형상, 종류 및 거리를 탐지할 수 있어 앞이 보이지 않는 환경에서도 시야 확보가 가능하다.
여섯째, 하나의 안테나와 스위칭을 통하여 거리 측정을 하며 능동, 수동 혼합형 이미지 센서를 구성하는 것이 가능하여 소형화, 가격 경쟁력이 우수하다.
도 1은 종래 기술의 수동형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도
도 2는 종래 기술의 능동형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도
이하, 본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서의 구성도이다.
본 발명은 단일 안테나를 사용하여 능동과 수동 밀리미터파 이미지 처리와 목표물과의 거리 탐지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있도록 구성한 것이다.
이를 위하여 거리측정 레이더로 FMCW(Frequency Modulated Continuous Waveguide) 레이더 기술을 사용한다.
본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 밀리미터파 신호 출력부(40)와, 수동 이미지 신호를 처리하는 수동 이미지 신호 처리부(50)와, 능동 이미지 신호를 처리하는 능동 이미지 신호 처리부(60)를 포함하여 구성된다.
밀리미터파 신호 출력부(40)는 변조 신호를 출력하는 변조 신호원(41)과, 변조 신호원(41)의 변조 신호가 입력되면 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 신호원(42)과, 신호원(42)의 밀리미터파 신호를 두 개의 신호로 분배하는 분배기(43)를 포함한다.
그리고 수동 이미지 신호 처리부(50)는 전달되는 수신된 잡음 레벨의 신호를 검파기의 동작 영역으로 증폭시키는 증폭기(51)와, 상기 증폭기(51)의 출력 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기(52)와, 상기 검파기(52)를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기(53)와, 상기 저주파 증폭기(53)에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터(54)를 포함한다.
그리고 능동 이미지 신호 처리부(60)는 전달되는 밀리미터파 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기(61)와, 상기 검파기(61)를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기(62)와,상기 저주파 증폭기(62)에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터(63)를 포함한다.
그리고 밀리미터파 신호 출력부(40)의 분배기(43)에서 출력되는 하나의 신호를 안테나(81)로 공급하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 안테나를 통하여 수신하여 스위치로 전달하는 서큘레이터(80)와, 상기 서큘레이터(80)를 통하여 공급되는 밀리미터파 신호를 목표 물체로 방사하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 수신하여 서큘레이터(80)로 전달하는 안테나(81)와, 상기 서큘레이터(80)를 통하여 전달되는 수신 신호를 선택적으로 스위칭하여 수동 이미지 신호 처리부(50) 또는 하향 주파수 혼합기(83)로 전달하는 스위치(82)와, 밀리미터파 신호 출력부(40)의 분배기(43)에서 출력되는 다른 하나의 신호에 의해 구동되고 스위치(82)에서 출력되는 신호를 받아 IF 신호를 생성하는 하향 주파수 혼합기(83)와, 하향 주파수 혼합기(83)에서 출력되는 신호를 두개의 신호로 분배하여 하나의 신호는 FMCW 레이더 신호로 출력하고 다른 하나의 신호를 능동 이미지 신호 처리부(60)로 출력하는 분배기(84)를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 변조 신호원(41)의 변조 신호가 신호원(42)으로 입력되어 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력한다.
출력된 신호는 분배기(43)에서 두 개의 신호로 분리된다. 한 개의 신호는 서큘레이터(80)를 거쳐 안테나(81)를 통해 목표 물체(70)로 방사된다. 다른 한 개의 신호는 LO 신호로써 하향 주파수 혼합기(83)를 구동하는데 사용한다.
안테나(81)의 역할은 신호원(42)으로부터 발생한 신호를 방사시킨다. 이 방사된 신호는 목표물로부터 반사되어 안테나(81)로 입력된다. 또한 목표물로부터 자연적으로 방사되는 노이즈 형태의 신호를 받아들이는 역할을 한다.
입력된 노이즈 형태의 신호 (Ns)는 스위치(82)를 거쳐 증폭기(51)에서 증폭된다. 증폭된 신호는 검파기(52)에서 DC 신호로 변형되며 저주파 증폭기(53)와 저주파 통과 필터(54)를 거쳐 출력된다. 이 신호는 수동 이미지 센서에 사용되는 신호이다.
그리고 안테나(81)로 입력된 RX 신호(목표물로부터 반사된 신호)는 스위치(82)를 거쳐 하향 주파수 혼합기(83)로 입력된다. 이때 IF 신호가 생성된다.
이 IF 신호는 분배기(84)를 통해 두 개의 신호로 분리된다. 분리된 신호중 하나는 검파기(61)를 통해 DC 신호로 변형되며, 저주파 증폭기(62)와 저주파 통과 필터(63)를 거쳐 능동 이미지 센서의 신호로 출력된다.
분배된 다른 한 개의 신호는 FMCW의 레이더 신호로 사용되어 거리 측정을 가능하게 한다. 이 IF 신호의 주파수와 변조신호의 변조속도를 계산하면 목표물과의 거리를 측정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 밀리미터파 신호원(42)이 on 상태이면 스위치(82)가 안테나(81)를 통하여 송신되는 신호(Tx) 및 수신되는 신호(Rx)를 사용하도록 동작하여 능동 이미지 신호 처리부(60)로 신호가 입력되도록 스위칭 된다.
그리고 밀리미터파 신호원(42)이 off 상태이면 스위치(82)가 안테나(81)를 통하여 수신되는 잡음 신호(Noise Signal;Ns)를 사용하도록 동작하여 수동 이미지 신호 처리부(50)로 신호가 입력되도록 스위칭 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서는 단일 안테나를 사용하여 능동과 수동 밀리미터파 이미지 처리와 목표물과의 거리 탐지를 하나의 시스템으로 처리할 수 있도록 구성하여 상황에 따라 효율적인 사용이 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
40. 밀리미터파 신호 출력부 50. 수동 이미지 신호 처리부
60. 능동 이미지 신호 처리부 70. 목표 물체
80. 서큘레이터

Claims (4)

  1. 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 밀리미터파 신호 출력부;
    상기 밀리미터파 신호 출력부로부터 공급된 신호를 안테나로 공급하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 안테나를 통하여 수신하는 서큘레이터;
    상기 서큘레이터를 통하여 공급되는 밀리미터파 신호를 목표 물체로 방사하고, 능동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 반사된 신호 및 수동 이미지 센서로 동작할 때 목표 물체에서 자연적으로 방사되는 신호를 수신하여 서큘레이터로 전달하는 안테나;
    상기 서큘레이터를 통하여 전달되는 수신 신호를 선택적으로 스위칭하여 상기 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 off 상태이면 수동 이미지 신호 처리부로 출력하고, 밀리미터파 신호 출력부의 밀리미터파 신호원이 on 상태이면 하향주파수 혼합기로 출력하는 스위치;
    상기 하향 주파수 혼합기에서 출력되는 신호를 두 개의 신호로 분배하여 하나의 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Waveguide) 레이더 신호로 출력하고 다른 하나의 신호를 능동 이미지 신호 처리부로 출력하는 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀리미터파 신호 출력부는,
    변조 신호를 출력하는 변조 신호원과,
    상기 변조 신호원의 변조 신호가 입력되면 선형적으로 변화하는 밀리미터파 신호를 출력하는 신호원과,
    상기 신호원의 밀리미터파 신호를 두 개의 신호로 분배하는 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수동 이미지 신호 처리부는,
    전달되는 수신된 잡음 레벨의 신호를 검파기의 동작 영역으로 증폭시키는 증폭기와,
    상기 증폭기의 출력 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기와,
    상기 검파기를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기와,
    상기 저주파 증폭기에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 능동 이미지 신호 처리부는,
    전달되는 밀리미터파 신호를 직류 전압으로 변환하는 검파기와,
    상기 검파기를 통하여 변환된 신호를 증폭하는 저주파 증폭기와,
    상기 저주파 증폭기에서 증폭된 신호에서 잡음을 제거하여 영상 신호 처리 블록으로 출력하는 저주파 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리탐지가 가능한 단일 안테나 구조의 조합형 밀리미터파 이미지 센서.
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