激光制導(dǎo)動(dòng)靶照射精度測(cè)量系統(tǒng)

姚志軍，韓秋蕾

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 引 言

精密制導(dǎo)武器尤其是半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位和作用愈發(fā)受到人們的重視，是我國(guó)科技國(guó)防戰(zhàn)略的重點(diǎn)，其中對(duì)激光照射光斑的時(shí)序特性和空間特性的測(cè)量更是重中之重。時(shí)序特性包括激光編碼精度、脈沖頻率、頻率精度以及漏閃率等?？臻g特性主要指激光光斑照射位置與靶板中心的偏差以及照射偏差角等。

激光照射光斑實(shí)驗(yàn)通常由機(jī)載激光器發(fā)射激光，瞄準(zhǔn)移動(dòng)目標(biāo)靶進(jìn)行照射。當(dāng)激光制導(dǎo)武器瞄準(zhǔn)車(chē)載移動(dòng)靶時(shí)，要求精確測(cè)量光斑相對(duì)靶板中心位置的偏差以及光斑的時(shí)序編碼格式［1］。本文設(shè)計(jì)一套基于相對(duì)測(cè)量方法的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光照射光斑相對(duì)靶板中心位置的精度測(cè)量。對(duì)比其他測(cè)量方法，本文方法解決了激光后向散射對(duì)測(cè)量光斑信號(hào)的干擾難題，且能夠在復(fù)雜背景下穩(wěn)定跟蹤靶板，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量［2］。系統(tǒng)通過(guò)激光光斑探測(cè)器來(lái)獲取光斑到來(lái)時(shí)刻信息，分析其編碼格式；采用可見(jiàn)光傳感器和紅外傳感器分別跟蹤靶板和光斑，最終計(jì)算其偏差。文章詳細(xì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)并提出解決方案，最終通過(guò)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明本文方法可精準(zhǔn)、可靠、便捷實(shí)現(xiàn)動(dòng)靶照射精度的測(cè)量，滿(mǎn)足系統(tǒng)的精確性和魯棒性要求。

2 系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由激光光斑探測(cè)器、可見(jiàn)光傳感器、紅外傳感器、跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、時(shí)碼鐘、時(shí)序控制模塊等組成，如圖1所示，所有設(shè)備固定在載車(chē)方艙內(nèi)部，觀(guān)測(cè)設(shè)備與移動(dòng)靶間距離1300m，實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑約1.5m的光斑的穩(wěn)定跟蹤和照射精度測(cè)量。

激光光斑探測(cè)器、可見(jiàn)光傳感器與短波紅外相機(jī)放置在跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整光軸重合，協(xié)同完成測(cè)量任務(wù)。

其中，激光光斑探測(cè)器負(fù)責(zé)檢測(cè)激光光斑信號(hào)，可見(jiàn)光傳感器采集移動(dòng)靶板圖像，紅外傳感器采集激光光斑圖像。跟蹤控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算靶板中心位置并實(shí)現(xiàn)靶板的自動(dòng)跟蹤。光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)完成光斑位置計(jì)算及光斑照射精度測(cè)量。時(shí)碼鐘提供的精準(zhǔn)時(shí)間信息用于照射光斑的時(shí)序特性測(cè)量。時(shí)序控制模塊控制攝像機(jī)與光斑著靶時(shí)刻同步曝光。

圖1 激光光斑測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system for laser spot

2.2 系統(tǒng)工作原理

激光光斑探測(cè)器探測(cè)到激光信號(hào)后，通知時(shí)碼鐘鎖存當(dāng)前時(shí)間信息，時(shí)碼鐘將鎖存的時(shí)間傳送給光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)。同時(shí)激光光斑探測(cè)器提供對(duì)應(yīng)光斑脈沖時(shí)刻的時(shí)序信號(hào)，將此信號(hào)送到時(shí)序控制模塊，時(shí)序控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)（攝像機(jī)觸發(fā)信號(hào)、采集卡外觸發(fā)信號(hào)等），使整個(gè)系統(tǒng)按要求的時(shí)序工作。

跟蹤控制計(jì)算機(jī)根據(jù)時(shí)序控制模塊的控制信號(hào)，采用外觸發(fā)方式采集可見(jiàn)光傳感器圖像，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)靶在視場(chǎng)中的位置，并將其位置與光軸的偏差傳送到轉(zhuǎn)臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)中，隨動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)位置，并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)靶。

光斑測(cè)量分系統(tǒng)在外觸發(fā)信號(hào)的控制下實(shí)時(shí)采集紅外傳感器圖像，提取光斑信號(hào)，計(jì)算光斑位置，繪制光斑能量圖。同時(shí)同步采集靶板跟蹤攝像機(jī)的圖像，保證每幀激光光斑圖像均有與其相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)刻的靶板圖像，以備后續(xù)計(jì)算靶板中心位置時(shí)使用。

3 照射精度測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵算法

在激光光斑照射精度測(cè)量過(guò)程中，需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)包括激光后向散射抑制、精準(zhǔn)時(shí)序控制和復(fù)雜背景低對(duì)比度動(dòng)靶穩(wěn)定跟蹤等。

3.1 光斑探測(cè)及后向散射抑制

激光光斑以不同形式的編碼進(jìn)行照射，光斑探測(cè)器的主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)光斑到來(lái)時(shí)刻信息，完成編碼格式的驗(yàn)證。激光在傳輸過(guò)程中，受到大氣溶膠的影響發(fā)生散射，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)不同波形的回波信號(hào)，給激光照射光斑的時(shí)序特性測(cè)量帶來(lái)了極大的干擾［3］，如圖2所示。

圖2 激光回波波形圖Fig.2 Wave form of return laser signal

激光器發(fā)射的激光呈高斯分布，從圖2中可明顯觀(guān)測(cè)到光斑探測(cè)器接收到的回波信號(hào)包括兩種類(lèi)型，其中最尖銳的最大幅值波峰為目標(biāo)反射回的激光，其他一系列低矮、平緩的分量是激光傳輸路徑中大氣溶膠等反射回的信號(hào)，且目標(biāo)反射回波出現(xiàn)在干擾波之后［4－6］。本文利用這一特性來(lái)區(qū)別目標(biāo)回波與干擾回波。具體步驟為：

（1）對(duì)探測(cè)器接收到的波形進(jìn)行平滑濾波，消除微小的毛刺信號(hào)；

（2）統(tǒng)計(jì)不同半寬、不同幅值的分量，將其分割為多個(gè)樣本；

（3）根據(jù)幅值－半寬比及分布信息確定目標(biāo)反射分量，作為最終結(jié)果輸出。

本系統(tǒng)采用帶前置放大電路四象限探測(cè)器作為激光光斑探測(cè)器，根據(jù)其光譜曲線(xiàn)，該探測(cè)器適合作為1064ns波長(zhǎng)的激光探測(cè)，具有快速響應(yīng)、靈敏度比較高、噪聲小等特點(diǎn)，其本身具有將四個(gè)象限累加后輸出能力，可進(jìn)一步提高信噪比，滿(mǎn)足光斑探測(cè)的要求。

激光光斑探測(cè)器收到激光脈沖后，進(jìn)行整形放大，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)光斑時(shí)刻的脈沖信號(hào)，控制時(shí)碼鐘鎖存當(dāng)前時(shí)刻，時(shí)碼鐘將時(shí)間信息鎖存并通過(guò)串口發(fā)送到光斑處理計(jì)算機(jī)及時(shí)序控制模塊中。原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 激光光斑探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Framework of laser spot detector

3.2 精準(zhǔn)時(shí)序控制

由于激光脈沖的持續(xù)時(shí)間較短，為提高光斑檢測(cè)能力和測(cè)量精度，提高激光與背景光的對(duì)比度，采用較小的積分時(shí)間有利于抑制背景的干擾。這樣帶來(lái)的問(wèn)題就是如何保證傳感器曝光與激光脈沖精確同步，即保證采集到的圖像中能夠觀(guān)測(cè)到激光光斑。本文通過(guò)精準(zhǔn)時(shí)序控制方式來(lái)解決此問(wèn)題。

時(shí)序控制模塊接收光斑探測(cè)器發(fā)送來(lái)的激光編碼信息，根據(jù)其頻率控制紅外傳感器按照光斑頻率工作，控制可見(jiàn)光傳感器按照2倍以上的光斑頻率工作（保證可見(jiàn)光傳感器工作頻率不低于每秒50幀圖像），以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。對(duì)應(yīng)產(chǎn)生與光斑同頻的外觸發(fā)信號(hào)送與跟蹤控制計(jì)算機(jī)和光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)，供采集卡使用。邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)序控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Framework of time sequence

按照所選圖像傳感器的參數(shù)，選擇的積分時(shí)間為100μs。其周期與光斑周期一致，相位略為超前，以保證激光光斑到來(lái)時(shí)刻紅外傳感器正在曝光。采用光斑頻率觸發(fā)方式，可以確保每個(gè)激光脈沖均被可靠采集。

由于可見(jiàn)光傳感器工作頻率高于紅外傳感器，當(dāng)采集可見(jiàn)光圖像時(shí)，為保證采集到的靶板圖像與激光光斑圖像是同時(shí)刻對(duì)應(yīng)畫(huà)幅，讓采集卡工作在外觸發(fā)狀態(tài)下，外觸發(fā)脈沖由時(shí)序控制模塊產(chǎn)生，可見(jiàn)光采集卡只有當(dāng)采集卡外觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)采集一幀圖像，其余圖像不予采集。假定光斑頻率為10c，具體工作時(shí)序如圖5所示。

圖5 外觸發(fā)時(shí)序圖Fig.5 Figure of exernal triggering

3.3 動(dòng)靶跟蹤

經(jīng)草原環(huán)境實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在光線(xiàn)較強(qiáng)的環(huán)境中，由于草地反射劇烈，系統(tǒng)跟蹤的靶板目標(biāo)與草地及天空背景灰度對(duì)比度較低。因此采用傳統(tǒng)灰度分析方法無(wú)法有效提取跟蹤目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于大氣湍流現(xiàn)象，引起目標(biāo)圖像邊緣在幀間發(fā)生劇烈抖動(dòng)、變形，并且邊緣更加模糊［7］。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注意到草原中存在較多的孤立或聯(lián)排的樹(shù)木。背景突變較嚴(yán)重，給靶板跟蹤帶來(lái)較大干擾。外場(chǎng)采集圖像如圖6所示。

根據(jù)上述分析，靶板目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤需要解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

（1）草地及天空背景灰度與靶板相似造成的影響；

（2）大氣湍流造成跟蹤目標(biāo)邊緣模糊、變形問(wèn)題；

（3）草原中樹(shù)木對(duì)跟蹤帶來(lái)的干擾問(wèn)題。

為了解決上述幾項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，系統(tǒng)通過(guò)改進(jìn)采用了以下技術(shù)方法。

圖6 外場(chǎng)靶板圖像Fig.6 Out－field target plate image

3.3.1 目標(biāo)邊緣提取與增強(qiáng)

由于靶板與背景的灰度基本一致，因此無(wú)法采用灰度特征的跟蹤方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理。圖像的邊緣反映了靶板與背景的階越變化，包含著場(chǎng)景中有價(jià)值的邊界信息，是圖像分析的重要依據(jù)。從實(shí)驗(yàn)采集圖像中，我們注意到靶板為四方形，由水平方向與垂直方向線(xiàn)條組合而成。為了能夠穩(wěn)定跟蹤靶板目標(biāo)，我們需要將靶板圖形突出并提取出來(lái)。因此根據(jù)靶板特點(diǎn)，分別采用水平方向邊緣提取濾波器、垂直方向邊緣提取濾波器。為了滿(mǎn)足快速、實(shí)時(shí)的圖像處理它的計(jì)算方法必須做到簡(jiǎn)單實(shí)用。這里我們采用以下兩種濾波器（如圖7所示），它們不僅能有效突出水平方向與垂直方向線(xiàn)條，而且算法能夠平滑噪聲，對(duì)噪聲具有抑制能力。

圖7 方向?yàn)V波器Fig.7 Directional filter

圖8 方向?yàn)V波器處理效果圖Fig.8 Result image of directional filter

通過(guò)該方向?yàn)V波器有效突出了目標(biāo)，抑制了背景圖像。根據(jù)方向?yàn)V波器處理后的圖像，可以清晰的分辨出靶板的輪廓及特征矩形。處理結(jié)果如圖8所示。

3.3.2 目標(biāo)特征點(diǎn)及直線(xiàn)邊緣檢測(cè)

角點(diǎn)特征具有信息量豐富、便于測(cè)量和表示等特點(diǎn)，同時(shí)它具有適應(yīng)環(huán)境光照變化等優(yōu)點(diǎn)。文章采用Harris算法來(lái)檢測(cè)角點(diǎn)。它用微分算子定義了像素強(qiáng)度變化的公式：

由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以及靶車(chē)行駛，圖像內(nèi)容變化分為全局運(yùn)動(dòng)和局部運(yùn)動(dòng)。特征點(diǎn)匹配過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)被遮擋或誤匹配的特征點(diǎn)。

在匹配過(guò)程中，正確匹配的特征點(diǎn)所運(yùn)動(dòng)的距離大致相等，而錯(cuò)誤匹配的特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離則參差不齊，基于這些考慮，可以采取以下步驟來(lái)消除外點(diǎn)：

（1）計(jì)算所有特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離；

（2）剔除野值，減少錯(cuò)誤匹配點(diǎn)的干擾；

（3）分析特征點(diǎn)對(duì)的分布，取其高斯分布中心作為運(yùn)動(dòng)距離參考值；

（4）重復(fù)第2步和第3步，迭代計(jì)算運(yùn)動(dòng)距離值，當(dāng)相鄰兩次結(jié)果近似相等時(shí)，迭代結(jié)束。

經(jīng)過(guò)以上步驟，可初步檢測(cè)出相鄰幀圖像中靶板運(yùn)動(dòng)偏移量［8－10］。

由于受到大氣湍流及邊緣模糊等情況影響，檢測(cè)出的靶板邊緣會(huì)發(fā)生部分的扭曲變形，本文采用霍夫變換檢直線(xiàn)段算法來(lái)獲得真實(shí)的靶板邊緣信息，從而保證靶板形心計(jì)算的精度。

最后通過(guò)加權(quán)方式代入特征點(diǎn)和直線(xiàn)段邊緣信息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)靶板的檢測(cè)。

3.3.3 靶板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

由于草原中樹(shù)木的干擾，影響靶板穩(wěn)定跟蹤。為了抑制樹(shù)木產(chǎn)生的影響，消除跟蹤中脫靶量在受到外界環(huán)境影響時(shí)產(chǎn)生的偏差及錯(cuò)判，系統(tǒng)中采用了靶板軌跡運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)。

軌跡預(yù)測(cè)是指根據(jù)前幾幀目標(biāo)位置、速度和方向等信息，預(yù)測(cè)出下一幀目標(biāo)應(yīng)該出現(xiàn)的位置，從而根據(jù)預(yù)測(cè)的值來(lái)判斷波門(mén)內(nèi)的目標(biāo)脫靶量。如圖9所示。

圖9 軌跡預(yù)測(cè)示意圖Fig.9 Trajectory prediction

目前關(guān)于數(shù)據(jù)擬合的方法有很多，其中工程中應(yīng)用最為成熟普遍的是最小二乘法。本系統(tǒng)采用視場(chǎng)擴(kuò)張?jiān)韺?duì)目標(biāo)的真實(shí)空間位置進(jìn)行擬合。為了得到目標(biāo)相對(duì)CCD靶面的位置，可以將連續(xù)的N幀圖像序列拼接成一幅視場(chǎng)無(wú)限大的圖像，這樣，將目標(biāo)在不同幀圖像中的位置用平滑曲線(xiàn)連接起來(lái)就可得到目標(biāo)相對(duì)CCD靶面的軌跡。根據(jù)目標(biāo)的軌跡，可以預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻目標(biāo)的位置。如圖10所示。

圖10 視場(chǎng)擴(kuò)張?jiān)碥壽E外推Fig.10 Abridged general view of the method field of view enlargement

下列公式將脫靶量和編碼器值合成為目標(biāo)真實(shí)的空間位置：

式中：

f——焦距，mm；

A0——編碼器方位，rad；

E0——俯仰值，rad；

x——圖像傳感器靶面像元尺寸，mm；

y——圖像傳感器靶面像元尺寸，mm。

假設(shè)采用N點(diǎn)外推，外推的具體步驟如下：

對(duì)于時(shí)刻i，已知編碼器角度A0i，E0i，靶量x，y，首先根據(jù)公式合成目標(biāo)的真正角度Ai，Ei。

對(duì)于時(shí)刻i前n幀，因?yàn)橐阎繕?biāo)的真正角度Ak，Ek，根據(jù)公式反推出其相對(duì)于（A0i，E0i）的脫靶量xk，yk。

根據(jù)N點(diǎn)二次多項(xiàng)式（平方）預(yù)測(cè)算法推出時(shí)刻i脫靶量預(yù)測(cè)值xi，yi。

判定閾值ρ事先設(shè)定，單位為mm。

若滿(mǎn)足公式則目標(biāo)匹配；否則目標(biāo)不匹配。

此方法能夠有效的提高系統(tǒng)的魯棒性，使目標(biāo)丟失后的一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)臺(tái)仍能夠按照正確的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證系統(tǒng)正確跟蹤魯棒性。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 激光光斑后向散射抑制實(shí)驗(yàn)

采用1064nm激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激光器對(duì)準(zhǔn)1.1km處的煙囪，由于實(shí)驗(yàn)期間大氣中粉塵含量較高，可明顯觀(guān)測(cè)到存在后向散射。由于激光器的發(fā)射周期存在400ns的抖動(dòng)，故所設(shè)定的傳感器提前曝光時(shí)間要大于該抖動(dòng)誤差。通過(guò)對(duì)光斑探測(cè)器接收信號(hào)波形的分析，判定目標(biāo)反射激光分量，以此作為異步選通條件，使傳感器提前激光回波時(shí)刻1μs開(kāi)始曝光。從圖11中可知該方法能夠有效抑制激光后向散射的干擾。

圖11 激光后向散射抑制Fig.11 Result of back－scattering restrained

4.2 精準(zhǔn)時(shí)序控制

通過(guò)對(duì)激光光斑照射時(shí)刻的測(cè)量，獲得激光照射編碼格式。時(shí)序控制模塊控制可見(jiàn)光傳感器和紅外傳感器同時(shí)曝光，使靶板圖像與光斑圖像在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的對(duì)準(zhǔn)，保證最終相對(duì)測(cè)量的精確度。

圖12是實(shí)際外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的工作截圖。激光器工作在10Hz頻率下，載車(chē)運(yùn)動(dòng)速度為30km／h，從圖中可知在時(shí)序控制模塊的觸發(fā)下，傳感器可準(zhǔn)確捕捉到激光照射光斑。從圖中可看到可見(jiàn)圖像與紅外圖像在統(tǒng)一觸發(fā)信號(hào)下同步曝光，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)兩幅圖像進(jìn)行融合處理并繪制能量圖。

圖12 軟件運(yùn)行圖Fig.12 Software running station

4.3 動(dòng)靶跟蹤實(shí)驗(yàn)

在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，靶板載車(chē)運(yùn)動(dòng)速度為30km／h，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景為草原，背景包括樹(shù)木、草地以及其他人造建筑。系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際情況采取方向邊緣濾波、角點(diǎn)與直線(xiàn)段檢測(cè)以及軌跡預(yù)測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)靶板的穩(wěn)定跟蹤。如圖13所示。

圖13 動(dòng)靶跟蹤實(shí)驗(yàn)Fig.13 Result of moving target traking

激光光斑角位置測(cè)量精度不僅取決于光斑質(zhì)心位置測(cè)量精度，還取決于靶板形心位置精度、光學(xué)視場(chǎng)畸變、觀(guān)測(cè)方向與靶板法線(xiàn)的夾角、視軸平行度、調(diào)平精度等［11］。視軸平行度經(jīng)過(guò)精密調(diào)整，可以達(dá)到一個(gè)像元，此誤差屬于系統(tǒng)誤差，在實(shí)驗(yàn)中已消除，因而忽略不計(jì)，調(diào)平精度達(dá)120″，由于以上幾個(gè)誤差均獨(dú)立，根據(jù)誤差模型可以得到：

其中：α為光軸與靶板法線(xiàn)的夾角，根據(jù)軌道長(zhǎng)度與距離，則：

光學(xué)視場(chǎng)畸變可以修正，修正誤差可達(dá)0.5像元，即0.04mrad。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)實(shí)際靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)對(duì)高精度、便捷性及實(shí)時(shí)性的要求，提出激光光斑動(dòng)靶照射精度相對(duì)測(cè)量方案，分析并介紹了測(cè)量方案中光斑檢測(cè)、時(shí)序精準(zhǔn)控制及低對(duì)比度動(dòng)靶跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，采用異步距離選通方法抑制了后向散射，通過(guò)對(duì)傳感器的精確時(shí)序控制同步采集可見(jiàn)與紅外圖像，最后采用方向?yàn)V波算子及直線(xiàn)段檢測(cè)方法獲取靶板形心，利用視場(chǎng)擴(kuò)張軌跡外推法達(dá)到穩(wěn)定跟蹤的目的。最終激光照射光斑的位置測(cè)量精度達(dá)到0.07mrad。

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