CN112698276B - 一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统及方法。系统包括一次雷达收发模块、高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块、一次雷达数据处理模块、二次雷达收发模块、二次雷达接收信号处理模块。一次雷达收发模块分别与高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块相连接；高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块分别与一次雷达数据处理模块相连接；一次雷达数据处理模块的反馈端分别与高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块相连接；利用第一振幅和第二振幅对空中目标进行高度估计，将空中目标的估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，筛除风电场杂波干扰。

Description

一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统及方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统及方法。

背景技术

近年来，随着资源供给的日趋紧张，以及环境问题的日益突出，可再生环保资源逐渐引起了人们的重视。风能作为一种清洁无污染的可再生资源得到了广泛的认可，风力发电是运用风能的一种重要方式，其对于调整能源结构，节约资源利用，保护生态环境，促进经济的高效可持续发展具有重要的意义。然而，风力发电中的风轮机会对雷达造成干扰，特别是大规模的风电场会造成更加严重的影响。

空管雷达是两坐标雷达，由于没有多个波束，风电场产生的回波和目标产生的回波具有同样的特性，而且在幅度上更强一些，因此受风电场干扰更加严重。目前，大部分空管雷达监测系统抑制风电场干扰的方法是在风电场区域里中进行距离方位门限调整或者航迹起始准则的调整。现有的空管雷达系统抑制风电场效果差，在抑制干扰的同时会显著降低雷达性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统及方法，解决了现有的空管雷达监测系统抑制风电场能力差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统，包括一次雷达收发模块、高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块、一次雷达数据处理模块、二次雷达收发模块、二次雷达接收信号处理模块、数据融合校正模块、点迹提取模块、航迹计算模块。

一次雷达收发模块分别与高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块相连接；高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块分别与一次雷达数据处理模块相连接；一次雷达数据处理模块与数据融合校正模块相连接；一次雷达数据处理模块的反馈端分别与高波束回波信号处理模块、低波束回波信号处理模块相连接。

二次雷达收发模块与二次雷达接收信号处理模块相连接；二次雷达接收信号处理模块与数据融合校正模块相连接。

数据融合校正模块、点迹提取模块、航迹计算模块顺次连接。

一次雷达收发模块用于向空间发射雷达波束，并接收空中目标反射的高波束回波信号和低波束回波信号。

低波束回波信号处理模块用于对低波束回波信号进行检测，确定空中目标的第一振幅。

高波束回波信号处理模块用于对高波束回波信号进行检测，确定空中目标的第二振幅。

一次雷达数据处理模块用于利用第一振幅、第二振幅计算空中目标的仰角，并利用空中目标的仰角计算空中目标的估计高度；以及用于从低波束回波信号处理模块或者高波束回波信号处理模块获取空中目标的一次雷达斜距、一次雷达方位角，并将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，并通过反馈端将风电场杂波反馈至低波束回波信号处理模块和高波束回波信号处理模块。

低波束回波信号处理模块和高波束回波信号处理模块还用于滤除一次雷达数据处理模块反馈的风电场杂波。

二次雷达收发模块用于向空中目标发送询问信号，并接收空中目标发出的应答信号。

二次雷达接收信号处理模块用于从应答信号中提取空中目标的二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度。

数据融合校正模块用于将一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度进行融合，得到校正信息。

点迹提取模块用于从校正信息提取空中目标的点迹信息。

航迹计算模块用于利用点迹信息计算得到空中目标的航迹信息。

可选地，一次雷达收发模块包含一次雷达天线、第一发射机、第一双工器、高波束接收机、低波束接收机。

第一发射机通过第一双工器与一次雷达天线相连接。

第一双工器分别与高波束接收机、低波束接收机相连接。

高波束接收机与高波束回波信号处理模块相连接。

低波束接收机与低波束回波信号处理模块相连接。

第一发射机用于向空间发射雷达波束。

第一双工器用于将第一发射机、高波束接收机、低波束接收机相隔离。

高波束接收机用于接收空中目标反射的高波束回波信号。

低波束接收机用于接收空中目标反射的低波束回波信号。

可选地，二次雷达收发模块包含二次雷达天线、第二发射机、第二双工器、二次雷达接收机。

第二发射机通过第二双工器与二次雷达天线相连接。

第二双工器与二次雷达接收机相连接。

二次雷达接收机与二次雷达接收信号处理模块相连接。

第二双工器用于将第二发射机和二次雷达接收机相隔离。

第二发射机用于向空中目标发送询问信号。

二次雷达接收机用于接收空中目标发出的应答信号。

可选地，二次雷达接收机包含顺次连接的滤波器、信号放大器、模数转化器。

可选地，所述风电场信息门限集合包含风电场杂波的第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限。

一次雷达数据处理模块用于将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限一一进行比较，若第一振幅高于第一幅度门限、第二振幅高于第二幅度门限、一次雷达斜距在斜距门限范围内、目一次雷达方位角在方位角门限范围内、估计高度低于高度门限，则判定空中目标为风电场杂波。

一种抗风电场干扰的空管雷达监测方法，包括以下步骤：

S1、通过一次雷达收发模块向空间发射雷达波束，并接收空中目标反射的高波束回波信号和低波束回波信号；

S2、通过二次雷达收发模块向空中目标发送询问信号，并接收空中目标发出的应答信号；

S3、通过低波束回波信号处理模块对低波束回波信号进行检测，确定空中目标的第一振幅；通过高波束回波信号处理模块对高波束回波信号进行检测，确定空中目标的第二振幅；

S4、通过一次雷达数据处理模块利用第一振幅、第二振幅计算空中目标的仰角，并利用空中目标的仰角计算空中目标的估计高度；以及从低波束回波信号处理模块或者高波束回波信号处理模块获取空中目标的一次雷达斜距、一次雷达方位角，并将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，并通过反馈端将风电场杂波反馈至低波束回波信号处理模块和高波束回波信号处理模块；

S5、通过低波束回波信号处理模块和高波束回波信号处理模块滤除一次雷达数据处理模块反馈的风电场杂波；

S6、通过二次雷达接收信号处理模块从应答信号中提取空中目标的二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度；

S7、通过数据融合校正模块7将一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度进行融合，得到校正信息；

S8、通过点迹提取模块从校正信息提取空中目标的点迹信息；

S9、通过航迹计算模块利用点迹信息计算得到空中目标的航迹信息。

可选地，所述风电场信息门限集合包含风电场杂波的第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限。

可选地，所述将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，具体包含以下步骤：

将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限一一进行比较，若第一振幅高于第一幅度门限、第二振幅高于第二幅度门限、一次雷达斜距在斜距门限范围内、目一次雷达方位角在方位角门限范围内、估计高度低于高度门限，则判定空中目标为风电场杂波。

可选地，空中目标的仰角的运算式为：

其中，a为高雷达波束相对于低雷达波束指向的角度，A₁表示第一振幅，A₂表示第二振幅，

k＝θ_0.5/120°，θ_0.5为左右波束的半功率宽度。

可选地，空中目标的估计高度的运算式为：

h_t＝h_a+Rsinθ

其中，h_a表示一次雷达天线的高度，R表示空中目标的一次雷达斜距。

本发明的有益效果：

该系统或方法在一次雷达中使用两个独立的并行处理的低波束和高波束处理通道，确定空中目标的第一振幅和第二振幅，利用第一振幅和第二振幅对空中目标进行高度估计；将空中目标的估计高度、一次雷达斜距、一次雷达方位角等信息与预设的风电场信息门限集合进行比较，筛除一次雷达数据中的风电场杂波干扰；并且将一次雷达数据与二次雷达数据进行融合校正，提高空管雷达检测的准确性。

附图说明

图1为本发明中抗风电场干扰的空管雷达监测系统的结构框图。

图2为图1中二次雷达接收机的结构框图。

其中，图1至图2的附图标记为：一次雷达收发模块1、高波束回波信号处理模块2、低波束回波信号处理模块3、一次雷达数据处理模块4、二次雷达收发模块5、二次雷达接收信号处理模块6、数据融合校正模块7、点迹提取模块8、航迹计算模块9；一次雷达天线11、第一发射机12、第一双工器13、高波束接收机14、低波束接收机15；二次雷达天线51、第二发射机52、第二双工器53、二次雷达接收机54；滤波器541、信号放大器542、模数转化器543。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种抗风电场干扰的空管雷达监测系统，包括：一次雷达收发模块1、高波束回波信号处理模块2、低波束回波信号处理模块3、一次雷达数据处理模块4、二次雷达收发模块5、二次雷达接收信号处理模块6、数据融合校正模块7、点迹提取模块8、航迹计算模块9、分类识别模块、输出模块、控制模块。

一次雷达收发模块1分别与高波束回波信号处理模块2、低波束回波信号处理模块3相连接；高波束回波信号处理模块2、低波束回波信号处理模块3分别与一次雷达数据处理模块4相连接；一次雷达数据处理模块4与数据融合校正模块7相连接；一次雷达数据处理模块4的反馈端分别与高波束回波信号处理模块2、低波束回波信号处理模块3相连接。

二次雷达收发模块5与二次雷达接收信号处理模块6相连接；二次雷达接收信号处理模块6与数据融合校正模块7相连接。

数据融合校正模块7、点迹提取模块8、航迹计算模块9、分类识别模块、输出模块顺次连接。

一次雷达收发模块1用于向空间发射雷达波束，并接收空中目标反射的高波束回波信号和低波束回波信号。雷达波束包含高雷达波束和低雷达波束。

低波束回波信号处理模块3用于对低波束回波信号进行检测，确定空中目标的第一振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角。

高波束回波信号处理模块2用于对高波束回波信号进行检测，确定空中目标的第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角。

一次雷达数据处理模块4用于利用第一振幅、第二振幅计算空中目标的仰角，并利用空中目标的仰角计算空中目标的估计高度；以及用于从低波束回波信号处理模块3或者高波束回波信号处理模块2获取空中目标的一次雷达斜距、一次雷达方位角，并将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，并通过反馈端将风电场杂波反馈至低波束回波信号处理模块3和高波束回波信号处理模块2。

具体地，风电场信息门限集合包含风电场杂波的第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限。

具体地，一次雷达数据处理模块4将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限一一进行比较，若第一振幅高于第一幅度门限、第二振幅高于第二幅度门限、一次雷达斜距在斜距门限范围内、目一次雷达方位角在方位角门限范围内、估计高度低于高度门限，则判定空中目标为风电场杂波。

低波束回波信号处理模块3和高波束回波信号处理模块2还用于滤除一次雷达数据处理模块4反馈的风电场杂波。

二次雷达收发模块5用于向空中目标发送询问信号，并接收空中目标发出的应答信号。

二次雷达接收信号处理模块6用于从应答信号中提取空中目标的二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度。

数据融合校正模块7用于将一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度进行融合，得到校正信息。

数据融合目的是将单一传感器的多波段信息或不同类别传感器所提供的信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，改善遥感信息提取的及时性和可靠性，提高数据的使用效率。

点迹提取模块8用于从校正信息提取空中目标的点迹信息。

航迹计算模块9用于利用点迹信息计算得到空中目标的航迹信息。

低波束回波信号处理模块3检测得到的斜距、方位角与高波束回波信号处理模块2检测得到的斜距、方位角，是两种波束检测的同一结果，差异可忽略。由于高、低波束指向不同，高、低波束的增益不同，同一空中目标的不同波束的振幅不同，这个差异可以用来测仰角，并确定空中目标的高度。

具体地，第一振幅的表达式为：

具体地，第二振幅的表达式为：

其中，θ_0.5为左右波束的半功率宽度，a为高雷达波束相对于低雷达波束指向的角度，低雷达波束指向的角度为0。

一些实施方式中，空中目标的仰角的运算式为：

其中，k＝θ_0.5/120°。

第一振幅A₁、第二振幅A₂通过检测得到，波束宽度θ_0.5和高雷达波束的指向角度a已知，将上述参数代入运算式(3)，即可求得空中目标相对于低雷达波束的偏角θ，即空中目标的仰角。

空中目标的估计高度的运算式为：

h_t＝h_a+R sinθ (4)

其中，h_a表示一次雷达天线11的高度，R表示空中目标的一次雷达斜距。

一些实施方式中，一次雷达收发模块1包含一次雷达天线11、第一发射机12、第一双工器13、高波束接收机14、低波束接收机15。

第一发射机12通过第一双工器13与一次雷达天线11相连接。

第一双工器13分别与高波束接收机14、低波束接收机15相连接。

高波束接收机14与高波束回波信号处理模块2相连接。

低波束接收机15与低波束回波信号处理模块3相连接。

第一发射机12用于向空间发射雷达波束。

第一双工器13用于将第一发射机12、高波束接收机14、低波束接收机15相隔离。

高波束接收机14用于接收空中目标反射的高波束回波信号，并对高波束回波信号做预处理。

低波束接收机15用于接收空中目标反射的低波束回波信号，并对低波束回波信号做预处理。

一些实施方式中，二次雷达收发模块5包含二次雷达天线51、第二发射机52、第二双工器53、二次雷达接收机54。

第二发射机52通过第二双工器53与二次雷达天线51相连接。

第二双工器53与二次雷达接收机54相连接。

二次雷达接收机54与二次雷达接收信号处理模块6相连接。

第二双工器53用于将第二发射机52和二次雷达接收机54相隔离。

第二发射机52用于向空中目标发送询问信号。

二次雷达接收机54用于接收空中目标发出的应答信号，并对应答信号做预处理。

具体地，如图2所示，二次雷达接收机54包含顺次连接的滤波器541、信号放大器542、模数转化器543。二次雷达接收机54对应答信号做滤波、放大、模数转化等预处理。高波束接收机14、低波束接收机15的结构与二次雷达接收机54的结构相同，在此不再赘述。

本申请，在一次雷达中使用两个独立的并行处理的低波束和高波束处理通道，确定空中目标的第一振幅和第二振幅，利用第一振幅和第二振幅对空中目标进行高度估计；将空中目标的估计高度、一次雷达斜距、一次雷达方位角等信息与预设的风电场信息门限集合进行比较，筛除一次雷达数据中的风电场杂波干扰；并且将一次雷达数据与二次雷达数据进行融合校正，提高空管雷达检测的准确性。

实施例2：

基于相同的技术构思，本实施例提供了一种抗风电场干扰的空管雷达监测方法，包括以下步骤S1-S9：

S1、通过一次雷达收发模块1向空间发射雷达波束，并接收空中目标反射的高波束回波信号和低波束回波信号；雷达波束包含高雷达波束和低雷达波束。

S2、通过二次雷达收发模块5向空中目标发送询问信号，并接收空中目标发出的应答信号；

S3、通过低波束回波信号处理模块3对低波束回波信号进行检测，确定空中目标的第一振幅；通过高波束回波信号处理模块2对高波束回波信号进行检测，确定空中目标的第二振幅；

S4、通过一次雷达数据处理模块4利用第一振幅、第二振幅计算空中目标的仰角，并利用空中目标的仰角计算空中目标的估计高度；以及从低波束回波信号处理模块3或者高波束回波信号处理模块2获取空中目标的一次雷达斜距、一次雷达方位角，并将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，并通过反馈端将风电场杂波反馈至低波束回波信号处理模块3和高波束回波信号处理模块2；

S5、通过低波束回波信号处理模块3和高波束回波信号处理模块2滤除一次雷达数据处理模块4反馈的风电场杂波；

S6、通过二次雷达接收信号处理模块6从应答信号中提取空中目标的二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度；

S7、通过数据融合校正模块7将一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度进行融合，得到校正信息；

数据融合目的是将单一传感器的多波段信息或不同类别传感器所提供的信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，改善遥感信息提取的及时性和可靠性，提高数据的使用效率。

S8、通过点迹提取模块8从校正信息提取空中目标的点迹信息；

S9、通过航迹计算模块9利用点迹信息计算得到空中目标的航迹信息。

具体地，风电场信息门限集合包含风电场杂波的第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限。

具体地，所述将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，具体包含以下步骤：

将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限一一进行比较，若第一振幅高于第一幅度门限、第二振幅高于第二幅度门限、一次雷达斜距在斜距门限范围内、目一次雷达方位角在方位角门限范围内、估计高度低于高度门限，则判定空中目标为风电场杂波。

低波束回波信号处理模块3检测得到的斜距、方位角与高波束回波信号处理模块2检测得到的斜距、方位角，是两种波束检测的同一结果，差异可忽略。由于高、低波束指向不同，高、低波束的增益不同，同一空中目标的不同波束的振幅不同，这个差异可以用来测仰角，并确定空中目标的高度。

具体地，第一振幅的表达式为：

具体地，第二振幅的表达式为：

其中，θ_0.5为左右波束的半功率宽度，a为高雷达波束相对于低雷达波束指向的角度，低雷达波束指向的角度为0。

一些实施方式中，空中目标的仰角的运算式为：

其中，k＝θ_0.5/120°。

第一振幅A₁、第二振幅A₂通过检测得到，波束宽度θ_0.5和高雷达波束的指向角度a已知，将上述参数代入运算式(3)，即可求得空中目标相对于低雷达波束的偏角θ，即空中目标的仰角。

空中目标的估计高度的运算式为：

h_t＝h_a+Rsinθ (4)

其中，h_a表示一次雷达天线11的高度，R表示空中目标的一次雷达斜距。

本申请，在一次雷达中使用两个独立的并行处理的低波束和高波束处理通道，确定空中目标的第一振幅和第二振幅，利用第一振幅和第二振幅对空中目标进行高度估计；将空中目标的估计高度、一次雷达斜距、一次雷达方位角等信息与预设的风电场信息门限集合进行比较，筛除一次雷达数据中的风电场杂波干扰；并且将一次雷达数据与二次雷达数据进行融合校正，提高空管雷达检测的准确性。

以上所述的仅是本发明的可选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗风电场干扰的空管雷达监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过一次雷达收发模块(1)向空间发射雷达波束，并接收空中目标反射的高波束回波信号和低波束回波信号；

S2、通过二次雷达收发模块(5)向空中目标发送询问信号，并接收空中目标发出的应答信号；

S3、通过低波束回波信号处理模块(3)对低波束回波信号进行检测，确定空中目标的第一振幅；通过高波束回波信号处理模块(2)对高波束回波信号进行检测，确定空中目标的第二振幅；

S4、通过一次雷达数据处理模块(4)利用第一振幅、第二振幅计算空中目标的仰角，并利用空中目标的仰角计算空中目标的估计高度；以及从低波束回波信号处理模块(3)或者高波束回波信号处理模块(2)获取空中目标的一次雷达斜距、一次雷达方位角，并将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，并通过反馈端将风电场杂波反馈至低波束回波信号处理模块(3)和高波束回波信号处理模块(2)；

空中目标的仰角的运算式为：

其中，a为高雷达波束相对于低雷达波束指向的角度，A₁表示第一振幅，A₂表示第二振幅，

k＝θ_0.5/120^。，θ_0.5为左右波束的半功率宽度；

S5、通过低波束回波信号处理模块(3)和高波束回波信号处理模块(2)滤除一次雷达数据处理模块(4)反馈的风电场杂波；

S6、通过二次雷达接收信号处理模块(6)从应答信号中提取空中目标的二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度；

S7、通过数据融合校正模块(7)将一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与二次雷达斜距、二次雷达方位角、二次雷达高度进行融合，得到校正信息；

S8、通过点迹提取模块(8)从校正信息提取空中目标的点迹信息；

S9、通过航迹计算模块(9)利用点迹信息计算得到空中目标的航迹信息。

2.根据权利要求1所述的抗风电场干扰的空管雷达监测方法，其特征在于：

所述风电场信息门限集合包含风电场杂波的第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限。

3.根据权利要求2所述的抗风电场干扰的空管雷达监测方法，其特征在于：

所述将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与预设的风电场信息门限集合进行比较，判定空中目标是否为风电场杂波，具体包含以下步骤：

将第一振幅、第二振幅、一次雷达斜距、一次雷达方位角、估计高度与第一幅度门限、第二幅度门限、斜距门限、方位角门限、高度门限一一进行比较，若第一振幅高于第一幅度门限、第二振幅高于第二幅度门限、一次雷达斜距在斜距门限范围内、目一次雷达方位角在方位角门限范围内、估计高度低于高度门限，则判定空中目标为风电场杂波。

4.根据权利要求1所述的抗风电场干扰的空管雷达监测方法，其特征在于：

空中目标的估计高度的运算式为：

h_t＝h_a+Rsinθ

其中，h_a表示一次雷达天线(11)的高度，R表示空中目标的一次雷达斜距。

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