艦艇射頻集成技術(shù)總體設(shè)想

1 艦艇射頻設(shè)備需求發(fā)展趨勢分析

當(dāng)艦艇的作戰(zhàn)使命由近海安全防御向遠(yuǎn)海運輸航線護航和海洋資源維護發(fā)展時，艦艇的作戰(zhàn)區(qū)域需有大幅度擴展，艦艇應(yīng)具有更遠(yuǎn)距離的信息感知能力及與多艦、多種類平臺之間的信息交互能力、協(xié)同作戰(zhàn)能力。艦艇配置的傳感器應(yīng)具有遠(yuǎn)、中、近程多重威力覆蓋的探測能力，雷達(dá)的工作波段將可能從米波段延伸至厘米波段，甚至向毫米波段發(fā)展。

通信能力從僅僅提供作戰(zhàn)保障通信上升為直接參與協(xié)同作戰(zhàn)信息的傳輸，通信能力需獲得大幅度提高。通信方式從以短波和超短波為主，改變?yōu)橐钥赏瑫r開通多路衛(wèi)星通信信道和微波通信信道為主，并仍保持可同時開通多路短波和超短波通信信道，以實現(xiàn)高速寬帶戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)、圖像、動態(tài)視頻及話音多網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ拍芰Α?/p>

導(dǎo)航能力從以平臺羅經(jīng)+衛(wèi)星導(dǎo)航+計程儀為主的導(dǎo)航模式，向以慣性導(dǎo)航+復(fù)合衛(wèi)星導(dǎo)航+復(fù)合計程儀為主，并具備天文射電和光學(xué)自主導(dǎo)航及慣性導(dǎo)航校準(zhǔn)等多種手段相結(jié)合的作戰(zhàn)導(dǎo)航方式發(fā)展。

電子對抗能力也從厘米波雷達(dá)偵察和反導(dǎo)對抗擴展為全頻段雷達(dá)信號偵察、反導(dǎo)對抗及通信信號偵察、干擾敵方機載平臺的通信等，以實現(xiàn)更早發(fā)現(xiàn)來襲的反艦導(dǎo)彈，并干擾它的制導(dǎo)平臺。

2 傳統(tǒng)的艦艇射頻設(shè)備狀態(tài)與電磁兼容性分析

傳統(tǒng)的艦艇射頻設(shè)備主要以完成單一功能為主，以艦載雷達(dá)為例，通常分為超遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)、遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)、中程空海搜索雷達(dá)、近程火控雷達(dá)及導(dǎo)航雷達(dá)等，其中每部火控雷達(dá)通常只能完成一批目標(biāo)跟蹤，并直接通過火控指揮儀帶1門火炮。因此，為完成一定層次的威力覆蓋，并同時對付多批目標(biāo)，1艘艦上通常需配置近10部雷達(dá)，而且部分雷達(dá)之間存在頻譜沖突，若不能采取有效抗同頻異步干擾措施，則極易產(chǎn)生相互干擾，危害設(shè)備正常工作[1]，典型干擾形式見圖1。例如：美軍上世紀(jì)80年代服役的“提康德羅加”級導(dǎo)彈巡洋艦配置約10部雷達(dá)，俄羅斯“庫茲涅佐夫”航空母艦配置約19部雷達(dá)。

圖1 異步干擾雷達(dá)示圖

傳統(tǒng)的艦載電子對抗系統(tǒng)主要由寬帶雷達(dá)信號偵察和干擾設(shè)備組成，為了實現(xiàn)全方位視界無遮擋，通常采用2組偵察和干擾天線分別覆蓋180°方位的裝艦方式，每組天線由多個不同頻段的偵察和干擾天線組成。傳統(tǒng)的電子對抗系統(tǒng)與同一艦上其他同頻段射頻設(shè)備之間往往產(chǎn)生尖銳的矛盾。雷達(dá)偵察設(shè)備由于其頻帶寬、靈敏度高，通常會受到其他同頻段雷達(dá)、通信信號的干擾；雷達(dá)干擾機往往由于頻帶寬、功率大、帶外雜散和副瓣抑制度較差，極易對其他同頻段雷達(dá)、通信信號產(chǎn)生干擾，甚至造成接收機阻塞，對全艦電磁兼容性造成不良影響，典型干擾形式見圖2。

圖2 阻塞干擾雷達(dá)示圖

同樣，電子對抗系統(tǒng)中的通信對抗設(shè)備與本艦通信系統(tǒng)之間的矛盾，與上述矛盾非常相似。隨著艦艇多平臺協(xié)同作戰(zhàn)對通信需求的擴展，雷達(dá)和通信對抗設(shè)備與本艦通信系統(tǒng)之間的矛盾會更加尖銳。在此情況下，通常會發(fā)生無法兼顧“保全本艦雷達(dá)探測能力和通信能力”的同時，又全方位實現(xiàn)對敵反導(dǎo)干擾和信息對抗的作戰(zhàn)任務(wù)的情況。因此，艦船設(shè)計師有一種觀點認(rèn)為，在離散電子對抗設(shè)備的體制下，全頻段電子情報偵察功能往往更適合于裝備綜合保障艦艇或?qū)Ｓ秒娮觽刹齑?，而在主?zhàn)艦艇上僅裝備必要的防御對抗設(shè)備即可。

在傳統(tǒng)艦艇通信機制下，短波和超短波通信是通信的重要手段。為了實現(xiàn)通信系統(tǒng)被賦予的同時開通多路信道的通信任務(wù)，艦艇上通常需配置大量的通信設(shè)備。在美、俄上世紀(jì)80年代服役的8 000 t級驅(qū)逐艦上，短波、超短波天線通常達(dá)到數(shù)10副。在我國本世紀(jì)初服役的驅(qū)逐艦上也不同程度地存在相似的情形。隨著通信任務(wù)種類的提升以及衛(wèi)星通信和微波通信應(yīng)用的發(fā)展，1艘主戰(zhàn)驅(qū)逐艦上的通信天線已達(dá)到飽和的程度。為了保證天線同時工作所需的空間隔離度，艦艇上的天線布置空間往往非常有限。

綜上所述，按艦艇射頻設(shè)備需求發(fā)展趨勢，可以想象，若艦艇上射頻設(shè)備仍按以單一功能為主的傳統(tǒng)設(shè)計模式，則1艘主戰(zhàn)艦艇需配置的射頻設(shè)備種類和數(shù)量之多，有可能超過艦艇承載能力。因此，在艦艇設(shè)計中，將不得不以減少艦艇武器和彈藥承載能力為代價，取得艦艇承載能力的平衡。射頻設(shè)備由于種類和數(shù)量過多，極易導(dǎo)致頻譜沖突，帶來嚴(yán)重的電磁兼容問題，造成部分射頻設(shè)備不能同時工作，難以達(dá)到對其設(shè)定的作戰(zhàn)效能。離散形式的射頻天線過多，還會加大艦艇雷達(dá)反射截面積，使艦艇更易被敵方雷達(dá)早期發(fā)現(xiàn)。

近年來，海軍和艦艇設(shè)計部門清醒認(rèn)識到，若要設(shè)計具有遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)能力艦艇，艦載射頻設(shè)備必須從傳統(tǒng)的離散模式向綜合集成的方向發(fā)展。

3 國外艦艇射頻集成技術(shù)分析

國際先進的海軍水面艦艇正朝著上層建筑小型化、簡潔化、集成化、兼容化方向發(fā)展，功能的擴展及平臺資源的局限使得艦載射頻設(shè)備的集成化設(shè)計成為首選，國外射頻集成形式主要有兩種：

1) 封裝集成

機械掃描天線置于具有頻選透波性能復(fù)合材料構(gòu)建的封閉式腔體內(nèi)，并由多層腔體堆疊而成。典型代表就是美國的“圣安東尼奧”號的封閉式桅桿(AEM/S)和英國45型驅(qū)逐艦先進技術(shù)桅桿/集成技術(shù)桅桿(ATM/ITM)。該集成形式仍基于原有機械掃描天線模式，適用于配置射頻天線數(shù)量較少的小型艦艇，或作為艦艇局部外形一體化集成設(shè)計的一種手段(圖3)。

圖3 “圣安東尼奧”號的封閉式桅桿

2) 共形集成

天線采用平面陣形式，貼壁安裝于上層建筑或桅桿外壁。典型代表就是美國DDX驅(qū)逐艦的集成上層建筑(圖4)。該集成形式大量采用相控陣形式天線，功能強大、工作方式靈活，更適合多功能集成設(shè)計。共形集成形式適用于需配置大量射頻天線的綜合型主戰(zhàn)艦船。20世紀(jì)90年代中后期，針對集成設(shè)計需求美國開始了先進多功能射頻系統(tǒng)的研制，該項目的目標(biāo)是用寬帶射頻孔徑來實現(xiàn)典型的雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信的功能[2,3]，為進一步實現(xiàn)全功能共形集成奠定了基礎(chǔ)。

圖4 DDX驅(qū)逐艦的集成上層建筑

4 艦艇射頻集成技術(shù)總體設(shè)想及關(guān)鍵技術(shù)分析

為了解決艦艇遠(yuǎn)海作戰(zhàn)和集群作戰(zhàn)對艦載射頻設(shè)備功能提出的快速提升需求，艦艇總體設(shè)計所面臨的是針對大量傳統(tǒng)離散體制射頻設(shè)備的電磁兼容和天線布置空間不足的難題等。通過尋求最優(yōu)化的射頻集成總體技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)艦艇預(yù)期的強大射頻功能，改善電磁兼容性，同時還可以使艦艇獲得簡捷化、小型化上層建筑，大大減小艦艇的RCS，提高艦艇對作戰(zhàn)武器的承載數(shù)量。

縱觀世界各國的艦艇，特別是美、歐、俄的各種艦艇，我們對不同用途的射頻集成技術(shù)提出以下總體設(shè)想，并對應(yīng)分析其關(guān)鍵技術(shù)[4]。

4.1 射頻集成安裝技術(shù)的總體設(shè)想

射頻集成安裝技術(shù)的總體設(shè)想類似于美國“圣安東尼奧”艦的簡捷封裝式桅桿集成安裝技術(shù)。從嚴(yán)格意義上講，集成安裝技術(shù)并不是射頻集成技術(shù)，它只是在現(xiàn)有離散射頻設(shè)備的體制下，將某1部或多部射頻設(shè)備集中安裝于1個具有一定隱身外形和選頻透波能力的復(fù)合材料罩中，目的是實現(xiàn)射頻設(shè)備模塊化裝艦，同時實現(xiàn)在部分頻段減少該部位RCS的目的(透波頻段除外)。我們認(rèn)為，該集成安裝技術(shù)主要適用于對射頻功能需求單一，并對隱身性有較高要求的小型艦艇。封裝式桅桿集成安裝的關(guān)鍵技術(shù)是針對罩內(nèi)窄帶射頻設(shè)備(例如雷達(dá))，研制一種窄帶選頻透波的復(fù)合材料罩，該罩的選頻特性愈好，該安裝形式的總體意義就愈明顯，否則，若由于罩的寬帶選頻特性，使其對較寬頻譜范圍的敵方雷達(dá)波探測均可視為“電磁透明”，則該安裝形式就失去了其提高隱身性的總體意義。因此，研制具有窄帶選頻特性的復(fù)合材料罩，是封裝式桅桿集成安裝的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 部分射頻集成技術(shù)的總體設(shè)想

提出部分射頻集成技術(shù)的總體設(shè)想可從以下幾方面設(shè)計考慮。

4.2.1改善艦艇電磁兼容性

從艦艇電磁兼容設(shè)計的角度出發(fā)，將艦艇上電磁兼容矛盾最為突出的部分射頻設(shè)備進行集成設(shè)計。通常艦艇電磁兼容矛盾突出表現(xiàn)在多設(shè)備同頻干擾。按常理分析，既是同頻設(shè)備，就符合集成設(shè)計的先決條件，因此，通過多設(shè)備執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時所需的時間資源分析計算，研究最優(yōu)的時間資源調(diào)度方式，則可明確獲知集成設(shè)計是否能在解決同頻設(shè)備之間電磁兼容難題的前提下，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。艦艇設(shè)計部門從艦艇總體頂層優(yōu)化設(shè)計的層面分析，可以看到將時間資源占用不多的射頻設(shè)備(即需根據(jù)作戰(zhàn)時機擇時工作的設(shè)備)，或時間資源可共享的設(shè)備(即工作于接收狀態(tài)的設(shè)備，例如：偵察接收機、占空比較小的雷達(dá)等)進行射頻集成，是一項“經(jīng)濟”而又獲利良多的設(shè)計方法，對綜合資源利用非常有利。

例如：將U/V通信天線與通信對抗天線進行集成設(shè)計。從U/V通信設(shè)備的工作原理分析可知，U/V通信天線具有寬頻譜特性，這種特性正好符合通信對抗設(shè)備對天線的寬頻譜特性要求，從而使兩者的集成設(shè)計成為可能。從時間資源調(diào)度分析，射頻集成設(shè)計的工作流程可以如下設(shè)計：

1) 當(dāng)U/V通信設(shè)備處于長時間“守聽”狀態(tài)時，通信對抗設(shè)備同時在該時段進行“信息偵察”；

2) 當(dāng)U/V通信設(shè)備處于發(fā)射狀態(tài)時，通過系統(tǒng)統(tǒng)一時間調(diào)度，使通信對抗設(shè)備自動在該時間段停止“信息偵察”，避免了傳統(tǒng)離散設(shè)備之間的電磁干擾問題；

3) 當(dāng)通信對抗設(shè)備偵收到有價值的信號，并經(jīng)危險判別后，若需施放通信干擾，可提出申請，由系統(tǒng)根據(jù)危險等級和當(dāng)前通信狀態(tài)，確定是否中斷當(dāng)前通信，而改用其他通信方式繼續(xù)通信。

當(dāng)系統(tǒng)完成通信信道重組后，向通信對抗設(shè)備下達(dá)“允許干擾”的指令，此時，通信對抗設(shè)備方能實施干擾發(fā)射，避免了傳統(tǒng)離散設(shè)備之間的強電磁干擾和阻塞問題。

上述工作流程所需的反應(yīng)時間應(yīng)是建立在系統(tǒng)以自動化工作方式為主，必要時輔助人工決策的工作基礎(chǔ)上，相對快速的反應(yīng)時間。對系統(tǒng)反應(yīng)時間的論證可以基于以下考慮：由于U/V通信對抗主要干擾對象是空中作戰(zhàn)平臺和運載平臺，相比對抗反艦導(dǎo)彈而言，本工作流程允許的反應(yīng)時間相對較長。例如：若該平臺在距本艦艇100 km以遠(yuǎn)、并以550 m/s(F-18)速度徑向向本艦艇靠近，由于平臺運行速度較慢，即使30 s后，距本艦艇仍在84 km以遠(yuǎn)，在該時間內(nèi)，集成系統(tǒng)可以完成通信信道重組和干擾允許命令的下達(dá)。

從U/V通信天線的方向性分析，由于U/V通信天線具有全方向性，通常天線增益為2 dB，且天線可承受的功率較小，通信對抗偵察接收天線與U/V通信天線同樣具有全方向性，且天線增益相似，易于集成設(shè)計；而通信干擾天線由于需要較強的有效功率，天線需要較高的增益，通常需達(dá)到6 dB以上， 因此，天線具有較強的方向性，可承受的功率也較強。若將U/V通信發(fā)信天線與通信干擾天線集成設(shè)計，則天線有效功率需以適應(yīng)通信干擾功能為基礎(chǔ)，進行輻射源組合調(diào)度和空間功率合成設(shè)計，該技術(shù)是集成設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

對于1艘復(fù)雜的主戰(zhàn)艦艇，若存在多組電磁兼容沖突明顯，又可以通過集成設(shè)計解決的射頻設(shè)備，對此，均可以按與上例類似的分析方法，研究其集成設(shè)計的可行性。

4.2.2減小艦艇RCS

從減小艦艇RCS的角度出發(fā)，將艦艇上獨立的、反射截面積較大的口徑天線進行集成設(shè)計。通常艦艇上離散射頻設(shè)備中，反射截面積較大的口徑天線主要是微波天線，從功能上可分為兩種類型：其一，是各種口徑形式的雷達(dá)天線；其二，是拋物面形式的衛(wèi)星通信天線。若將上述兩種天線分波段進行集成設(shè)計，形成平面陣天線，并將天線面陣與艦艇桅桿外壁或上層建筑外壁進行一體化設(shè)計，使天線融入艦艇結(jié)構(gòu)內(nèi)，則不僅天線本身的“隱藏”可以大大減小艦艇的RCS，而且由于艦艇不需布置大量的獨立天線，使艦艇上層建筑上用于布置天線的空間可以縮小，上層建筑外壁的傾角可以更大，例如：法國的“拉斐特”級護衛(wèi)艦上層建筑向內(nèi)傾斜達(dá)10°，從而更大程度地減小了艦艇水平方向的RCS。對于航空母艦而言，口徑天線的射頻集成的好處不僅是減小艦艇的RCS，上層建筑的縮小還非常有利于飛機的起降，并可能更多地搭載飛機，例如：美CVN77航空母艦(小橋樓的范例)相比于俄“庫茲涅佐夫”號航空母艦，上層建筑縮小的好處非常明顯。

口徑天線的面陣化設(shè)計還能大大提高射頻設(shè)備的能力。由于相控陣形式的天線，波束調(diào)度靈活，相對拋物面天線的雷達(dá)只能同時跟蹤一批目標(biāo)而言，相控陣?yán)走_(dá)能在完成目標(biāo)搜索等任務(wù)的情況下，同時跟蹤多批目標(biāo)，在敵多方位多目標(biāo)攻擊下完成自衛(wèi)作戰(zhàn)，即1部相控陣?yán)走_(dá)能同時完成多部傳統(tǒng)體制跟蹤雷達(dá)和搜索雷達(dá)的功能[5]。

綜上所述，口徑天線的面陣化設(shè)計所具有的優(yōu)勢，不僅能消除多個同頻段射頻設(shè)備間的相互干擾、減小艦艇RCS、增加艦船作戰(zhàn)武器承載能力，并通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，提高射頻設(shè)備的作戰(zhàn)效能。

由于口徑天線的面陣化設(shè)計，是一項昂貴的轉(zhuǎn)變，需要國家有足夠的科技能力和工業(yè)化基礎(chǔ)的支撐，也需要擁有雄厚的采購經(jīng)費基礎(chǔ)。因此，1艘高度集成面陣化的隱身艦艇往往可以彰顯擁有國的軍事實力。

對在某個時期內(nèi)的艦艇或因技術(shù)儲備不足無法進行全射頻集成設(shè)計，或因采購經(jīng)費因素仍希望保持一部分離散狀態(tài)的射頻設(shè)備，在此情況下，可采取將該部分離散的射頻設(shè)備用復(fù)合選頻透波材料封裝入電子桅桿或上層建筑內(nèi)部，以盡可能減小艦艇RCS。部分射頻集成技術(shù)與部分封裝式桅桿集成安裝技術(shù)相結(jié)合，對科技水平尚不夠發(fā)達(dá)的發(fā)展中國家，該技術(shù)是一種成本較小，且不失為一種折中的艦艇總體設(shè)計技術(shù)。

部分射頻集成技術(shù)與部分封裝式桅桿集成安裝技術(shù)相結(jié)合，成為封裝式集成電子桅桿，改變了傳統(tǒng)艦艇上桅桿上多重橫桁、桅桿兩側(cè)多層平臺的經(jīng)典樣式，封裝式集成電子桅桿外形簡捷、功能強大、隱身性好。可以任意取1艘典型驅(qū)逐艦上的射頻設(shè)備進行封裝式集成電子桅桿設(shè)計：將窄帶射頻設(shè)備設(shè)計成平面陣天線，將寬帶射頻設(shè)備設(shè)計成封裝式天線。從設(shè)計結(jié)果可以看到，雖然我們只用了不算多的射頻集成技術(shù)，但新型封裝式集成電子桅桿的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原艦桅桿，甚至超過原艦桅桿和上層建筑上射頻設(shè)備功能的總和。

圖5 常規(guī)驅(qū)逐艦桅桿與封裝式集成電子桅桿功能示意圖

此設(shè)想中提出的封裝式集成電子桅桿同樣需要研制具有選頻透波性能的封罩材料，但相對第一種設(shè)想中提出封裝式桅桿所需的窄帶選頻透波封罩材料，由于其內(nèi)封裝的是寬頻帶工作設(shè)備，因此，對材料的選頻透波性要求低很多，研制難度也低很多。射頻集成除設(shè)備級技術(shù)外，較多地體現(xiàn)了總體關(guān)鍵技術(shù)，例如：桅桿集群開口技術(shù)、材料技術(shù)、天線模塊與桅桿一體化技術(shù)、集中冷卻技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等。

4.3 全射頻集成技術(shù)的總體設(shè)想

全射頻集成技術(shù)意味著將1艘艦艇上的射頻設(shè)備全部集成設(shè)計，該設(shè)想的基礎(chǔ)類似于美CVN 21和DDX，即將全艦天線進行面陣化設(shè)計。該設(shè)計更多地強調(diào)隱身性效果，若對1艘功能相對單一的艦艇，全射頻集成是完全可以實現(xiàn)的。但對于1艘攻防兼?zhèn)涞亩喙δ軓?fù)雜艦艇，甚至于航空母艦，實現(xiàn)全射頻集成非常困難，代價也是昂貴的。

目前，具有研究基礎(chǔ)的全射頻集成技術(shù)，還是采用分波段集成，例如：美國已開展的設(shè)計歷時10余年之久的DDX多功能射頻集成系統(tǒng)(AMFRS)，也是以多組不同頻段的相控陣模塊構(gòu)成全射頻集成系統(tǒng)。每組模塊的工作帶寬均有一定限制。如何在最少的模塊組合上實現(xiàn)最多、最強大的功能，是全射頻集成的關(guān)鍵技術(shù)之一。

全射頻集成另外的關(guān)鍵技術(shù)還包括以下多種類型：

1) 研究在一組相控陣模塊上實現(xiàn)寬帶與窄帶射頻功能的集成設(shè)計。例如：將功能強大的遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)與寬帶電子偵察機和干擾機進行集成設(shè)計，充分利用遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)發(fā)射脈沖之間的長間隙進行電子偵察；充分利用遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)的強功率輻射源進行電子干擾等等。

2) 研究將不同頻段的衛(wèi)星通信天線集成在一面相控陣陣面上，由于衛(wèi)星通信天線發(fā)射功率通常較小，但天線增益較高，要求相控陣口徑較大，若能在一面相控陣陣面上實現(xiàn)多個波段的集成，則可能實現(xiàn)用一面相控陣取代傳統(tǒng)艦艇上多組碩大的衛(wèi)星通信反射面天線。

當(dāng)然，上述功能的實現(xiàn)，不僅需解決射頻元器件技術(shù)，還需解決單元和模塊之間的電磁兼容技術(shù)，以及更多的總體和系統(tǒng)/設(shè)備研制技術(shù)。

總之，全射頻集成技術(shù)是一種理想化的射頻集成技術(shù)，目前，美軍的全射頻集成艦艇仍處于研制階段，應(yīng)用射頻集成技術(shù)的DDX型首制艦預(yù)期2010年后服役。

5 結(jié) 語

射頻集成作為近年來國際艦艇設(shè)計的新概念，如何推廣應(yīng)用于水面艦艇，各海軍強國都在開展研究。不同類型艦艇因使命任務(wù)需求的區(qū)別對射頻集成的功能范圍以及集成程度要求各不相同，需要艦艇研究單位從綜合性能出發(fā)，對射頻設(shè)備的集成進行統(tǒng)籌規(guī)劃。特別是對于大型主戰(zhàn)艦艇，由于艦船承擔(dān)的使命任務(wù)多，需要采用高集成度的集成方式以有效提高艦艇的作戰(zhàn)能力。然而，實現(xiàn)艦載射頻設(shè)備集成需要科學(xué)有序地開展工作，結(jié)合國家科研實力和經(jīng)費投入，逐步從部分功能集成向分頻段集成發(fā)展，最終實現(xiàn)多功能全共形集成。

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