CN114397013B - 激光功率计及基于其标定大型光学系统取样系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种激光参数探测装置，特别涉及一种激光功率计及基于其标定大型光学系统取样系数的方法。克服现有激光功率计应用于工业现场中大型光学系统取样系数标定时存在的结构不紧凑，无法适用于工业现场的安装和测试、无法进行远距离传输以及标定成本高等问题。激光功率计包括依次直接连接的待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块；为一体化设计，结构紧凑，易于集成，便于工业现场的安装、调试和维护，可应用于大型光学系统取样系数的标定；标定过程中扣除背景光的影响，削弱背景杂散光对取样系数测量的干扰，整个计算方法简单，便于在线实现，处理时间短。同时由于是同步采样，可以减小光源波动对取样系数测量造成的干扰。

Description

激光功率计及基于其标定大型光学系统取样系数的方法

技术领域

本发明为一种激光参数探测装置，特别涉及一种激光功率计及基于其标定大型光学系统取样系数的方法。

背景技术

激光功率计是诊断激光参数重要的探测器，目前，激光功率计主要采用“光探头+读数表头”的分体式结构，光探头和读数表头之间通过屏蔽线缆连接，光探头用于采集激光参数得到模拟信号，读数表头用于将模拟信号先转化为数字信号，然后对数字信号进行处理获得最终结果，最后将最终计算结果进行显示。这种结构具有以下优点：a)模拟信号和数字信号隔离，减少电路串扰噪声；b)光探头远离电子系统中的发热源，如CPU、AD芯片等，延长光探头的使用寿命；c)屏蔽层和多层板的面积较小，降低了屏蔽难度，重点屏蔽光探头即可。

上述激光功率计在激光功率等常规应用中可以达到比较好的效果。但是当应用于工业现场中大型光学系统取样系数在线标定时，会存在以下问题：

a)、因大型光学系统自身体积较大，光路较长，对其取样系数进行标定时，需要多点取样，需要的激光功率计较多；当使用上述多个分体式的激光功率计时，结构不紧凑，无法作为一个整体设备，不利于工业现场的安装和测试；

b)、因上述激光功率计中光探头和主机是通过屏蔽线缆连接，连接距离受限，无法进行远距离传输，模拟信号容易受现场环境的干扰；

c)、因上述激光功率计中光探头和主机作为两部分在现场是分开配置的，在测量之前，需要将光探头和主体作为一个整体再次进行定标，当应用在工业现场中大型光学系统取样系数在线标定时，需要对较多的激光功率计再次进行定标，定标过程较为复杂，难度较大，使得取样系数在线标定成本提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光功率计及基于其标定大型光学系统取样系数的方法，以克服现有分体式激光功率计应用于工业现场中大型光学系统取样系数在线标定时存在的结构不紧凑，无法适用于工业现场的安装和测试、无法进行远距离传输以及标定成本高等问题。

本发明的技术方案是：

一种激光功率计，其特殊之处在于：包括依次直接连接的待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块；

所述待测激光光学取样模块包括光束预处理光学元件，所述光束预处理光学元件用于将待检测激光进行衰减，使其达到光电探测器的测量要求，并进行匀化处理，消除光电探测器靶面响应不一致的影响；

所述光电转换模拟电路模块包括光电探测器与模拟电路，所述光电探测器用于接收待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号，将待检测激光信号转化为电流信号；所述模拟电路用于检测光电探测器输出的电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足高速数字电路模块的输入要求；

所述数字电路模块包括数据处理单元，所述数据处理单元的输出接口为工业以太网接口；所述数据处理单元用于采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数；通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机。

进一步地，上述待测激光相关参数包括背景信号值与有效信号值，具体计算过程如下：

在背景区域，主要信号为背景信号，通过采集背景区域的信号值，得到背景信号值：

S_back＝Average(N_k)

其中N_k表示背景区域采样信号值；

在有效信号区域，通过采集脉冲信号的峰值，得到有效信号值：

S_value＝max(S_k)

其中S_k表示脉冲信号区域采样信号值。

进一步地，所述光束预处理光学元件包括反射式滤光片和积分球，反射式滤光片位于积分球入光孔位置，光电探测器位于积分球出光孔位置，激光首先入射到反射式滤光片表面，反射式滤光片作为第一级取样衰减，对入射信号进行大倍率的衰减；之后经过积分球的多次反射使激光均匀地分布在积分球内表面，积分球作为第二级取样衰减。

进一步地，上述积分球内表面的吸收材料为聚四氟乙烯基改性材料。

进一步地，上述激光功率计还包括探测器屏蔽罩，罩设在光电探测器外围，用于减少高速数字电路模块产生的热和电磁干扰对探测器精度的影响。

进一步地，上述屏蔽罩的材料采用马口铁。

进一步地，上述数字电路模块中工业以太网接口类型为千兆网。

进一步地，上述数字电路模块中的数据处理单元包括FPGA与高速ADC，高速ADC用于采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，FPGA用于对数字信号进行处理获得信号波形，并根据信号波形计算待测激光相关参数，其中，高速ADC采集速度大于100MHz，数据传输速度大于1Gbps。

本发明还提供一种基于上述激光功率计标定大型光学系统取样系数的方法，其特殊之处在于：

步骤1、确定大型光学系统取样点位置，在各个取样点位置处设置上述激光功率计，并通过交换机接入现场工业以太网；

步骤2、激光功率计系统初始化；

步骤3、参数配置；

步骤4、生成外触发同步信号；

现场同步机提供统一的同步信号，用于控制多个激光功率计同时进行工作；

步骤5、信号采集；

多个激光功率计在同步信号的触发下，待测激光光学取样模块同步进行采集并衰减匀化待检测的激光信号；光电转换模拟电路模块将待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号转化为电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足数字电路模块的输入要求；

步骤6、数据处理；

数字电路模块将光电转换模拟电路输出的电压信号转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数；通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机；

根据信号波形计算待测激光相关参数的计算公式如下：

在背景区域，主要信号为背景信号，通过采集背景区域的信号值，得到背景信号值：

S_back＝Average(N_k)

其中N_k表示背景区域采样信号值；

在有效信号区域，通过采集脉冲信号的峰值，得到有效信号值：

S_value＝max(S_k)

其中S_k表示脉冲信号区域采样信号值；

步骤7、上位机处理；

根据数字电路模块输出的背景信号和有效信号，计算取样系数，具体为：

扣除背景光的影响，取样点1和取样点2的取样系数为：

其中，S_back1，S_value1表示取样点1的背景信号值和有效信号值；

S_back2，S_value2表示取样点2的背景信号值和有效信号值。

进一步地，步骤7中还可以包括上位机根据有效信号值计算激光功率参数的过程，和/或根据背景信号值计算背景杂散光的过程。

本发明提出的激光功率计可以实时监测激光光源和光学元件的状态，能够及时发现大型激光装置中的故障和潜在隐患，可以避免带来灾难性的事故，属于关键检测仪器，具有以下有益效果：

1、本发明激光功率计中待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块依次直接连接，为一体化设计，结构紧凑，易于集成，便于工业现场的安装、调试和维护，可应用于大型光学系统取样系数的标定；节省工业现场大型激光装置的建设成本；

2、本发明激光功率计基于工业以太网进行数据传输，数据传输过程可靠稳定，可实现远距离传输，便于与其他部分进行数据共享和融合；同时可以无障碍的接入工业现场的控制网络，使得状态监测更加智能和高效。

3、本发明激光功率计中待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块依次直接连接，为一体化设计，出厂时，定标完成后，在现场测量前，不需要再次进行定标，应用于大型光学系统取样系数的标定时，成本较低；

4、本发明激光功率计数字电路模块可以根据相应数字信号获得信号波形，满足光学取样系数标定时的数据处理需求；

5、常规激光功率计测量时，入射光作直接照射到探测器靶面上，由于探测器靶面不同位置对激光的响应有差异，探测器靶面响应的不一致会降低系数标定的精度。而本发明激光功率计通过光束预处理光学元件对光束进行匀化处理，消除了探测器靶面响应不一致对系数标定带来的影响。

6、系数标定需要采用线性度高、噪声小的光电型激光功率计。但是常规光电型激光功率计无取样元件，或者只增加一级滤光片，测量范围较小，无法测量较高功率的激光。本发明针对当前光电型传感器探头探测功率较小，无法探测大功率的情况，通过为光电探测器增加光束预处理光学元件来拓展光电型传感器的动态范围。

7、本发明针对大型光学系统取样系数标定的应用场合，结合激光功率计结构，提出了脉冲激光功率的测量方法，整个测量过程简单快捷、便于扩展，定标和维护方便。

8、标定大型光学系统取样系数的方法，扣除背景光的影响，可以削弱背景杂散光对取样系数测量的干扰，整个计算方法简单，便于在线实现，处理时间短。同时由于是同步采样，可以减小光源波动对取样系数测量造成的干扰。

9、节省工业现场大型激光装置的建设成本，由于项目研究的激光功率计集成化程度很高，建设基本不需要额外的配套建设。

10、节约工业现场的运营和维护成本，本发明激光功率计能够远程在线实时控制，实际运营中的人员、物力成本开销很低。

附图说明

图1为本发明激光功率计原理框图；

图2为本发明激光功率计标定时输出的典型信号波形；

图3为本发明激光功率计在工业现场中的应用示意图；

图4为利用本发明激光功率计标定大型光学系统取样系数的方法流程图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在其他实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提出的激光功率计主要应用于工业现场大型激光装置参数测量和光学系统取样系数标定，为大型激光装置运行状态的实时监测提供检测仪器，能够被广泛应用于工业现场激光功率的检测应用中。主要由三部分构成：待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和高速数字电路模块。

待测激光光学取样模块的作用是采用光学元件将待检测激光进行衰减取样，使其满足光电转换模拟电路模块中光电探测器的测量要求。在不失真的情况下对光电探测器的测量范围进行了扩展，可以实现高动态，弥补光电型探测器探测功率不大的缺陷。同时采用光学元件对待检测激光进行了均匀化处理，消除了探测器靶面响应不一致对系数标定带来的影响。

光电转换模拟电路主要利用光电探测器检测待测激光光学取样模块处理后的待检测激光，并转化为微弱电流信号，对微弱电流信号进行放大、滤波和预处理。使得预处理后的电压信号满足高速数字电路模块的输入要求。另外，因光电探测器对热和电磁干扰特别敏感，是整个激光功率计电磁干扰的薄弱环节，本发明对光电探测器专门进行了屏蔽和抗干扰设计。

高速数字电路模块主要用于采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数，此处相关参数包括背景信号值和有效信号值，高速数字电路模块输出接口采用工业以太网，通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机，实现远程控制和大规模组网功能，并且可以实时输出信号波形，上位机根据背景信号值可以计算出背景杂散光，根据有效信号值计算激光功率参数，结合背景信号值和有效信号值实现光学系统取样系数的标定。

本发明激光功率计待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和高速数字电路模块是一个整体，这样就可以使得激光功率计在增加波形输出功能以及背景杂散光检测功能的情况下却减小了尺寸，而且便于标定和维护。同时，在实时高速采集的基础上，激光功率计还可以根据应用场景增加相应的数据处理功能。采用工业以太网接口，可以解决传统激光功率计“传不远”的缺憾，更加适用于工业现场。

实施例

本实施例激光功率计原理框图如图1所示，主要由三部分构成：待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块。

本实施例待测激光光学取样模块包括光束预处理光学元件，光束预处理光学元件包括反射式滤光片和大衰减倍率耐高功率激光的积分球。反射式滤光片安装在积分球的入光孔位置处，待检测激光首先入射到反射式滤光片表面，反射式滤光片作为第一级取样衰减，对入射信号进行大倍率的衰减。本实施例选择反射式的滤光片，而不选择吸收式的滤光片的主要原因是，吸收式滤光片在大倍率衰减时会因为吸收过多能量而产生热量，自身热量的增加会导致采样系数发生变化。利用积分球作为激光的衰减器，经过积分球的多次反射使激光均匀地分布在积分球内表面，而光电探测器安装在积分球外表面的一个小窗口上，积分球作为第二级取样衰减。选择积分球作为第二级衰减的主要原因有以下两点：1)衰减后入射到探测器靶面的光信号是均匀分布的，可以避免探测器不同位置响应的差异对测量造成影响；2)积分球作为第二级衰减，在相同体积下，比取样镜有更大的衰减倍数。积分球内表面吸收材料的选型，需要选择耐高功率激光冲击的材料，防止激光功率造成损坏，本实施例中选择聚四氟乙烯基改性材料，特别对351nm光源反射系数进行了增强。

本实施例光电转换模拟电路模块包括光电探测器与模拟电路，光电探测器用于接收待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号，将待检测激光信号转化为电流信号，光电探测器的输出电流很小，一般为pA级别，模拟电路用于检测光电探测器输出的电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足高速数字电路模块的输入要求。为了达到高精度，模拟电路中所采用的放大电路增益比较高，一般为1e6以上，需要克服高增益下噪声和偏置的问题。另，为了减小后端高速数字电路模块产生的热和电磁干扰对光电探测器精度的影响，本实施例中为光电探测器专门增加了屏蔽罩，屏蔽罩材料采用马口铁。选择铁基材料的原因在于：1)铁基材料具备优良的电磁衰减性能；2)屏蔽罩为金属材质散热良好。

本实施例高速数字电路模块包括数据处理单元，输出接口为工业以太网接口；数据处理单元主要采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，经过数据处理算法得到待测激光相关参数(背景信号值和有效信号值)，然后通过工业以太网发送到上位机，采用的是千兆网。一般待测激光的脉冲频率都较高，为了实现激光频率有效信号的采集，采集电路的速度一把要求比较高。设计的难点主要在于如何在低功耗、低成本的情况下实现高速数字采集电路的设计，本实施例中采用“FPGA+高速ADC”的技术方案。利用高速ADC采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，利用FPGA对数字信号进行处理获得信号波形，并根据信号波形计算待测激光相关参数，其中，高速ADC采集速度大于100MHz，数据传输速度大于1Gbps。为了满足工业现场大型激光装置的使用需要，本实施例的激光功率计采用工业以太网接口，接口类型为千兆网。选择千兆网的主要原因在于数据传输快、能组网、能够远距离传输和抗干扰能力强。设计的难点在于，如何在小体积、低功耗和有限计算资源的情况下实现千兆网的设计，本实施例只采用一片FPGA作为主控芯片，在完成信号采集的同时，完成千兆网的功能。在低功耗、小尺寸、低成本要求下，设计实现了高速采集和工业以太网，使激光功率计满足工业现场的要求。

脉冲激光经过采样以后波形为一个单脉冲波形，本实施例采用脉冲峰值法，获得脉冲信号的有效信号值，原理如图2所示。对于脉冲信号，所有测量激光功率计在同一时刻(同步精度小于1us)开始采样。采样完成后，根据信号波形计算背景信号和有效信号。具体的计算公式如下：

在背景区域，主要信号为背景信号，通过采集背景区域的信号值，得到背景信号值：

S_back＝Average(N_k)

其中N_k表示背景区域采样信号值；

在有效信号区域，通过采集脉冲信号的峰值，得到有效信号值：

S_value＝max(S_k)

其中S_k表示脉冲信号区域采样信号值；

根据有效信号值可以计算获得待测激光功率参数，根据背景信号值可以计算获得背景杂散光。

结合有效信号值和背景信号值可以获得取样系数，具体如下：

扣除背景光的影响，那么采样点1和采样点2的取样系数为：

其中，S_back1，S_value1表示取样点1的背景信号值和有效信号值。

S_back2，S_value2表示取样点2的背景信号值和有效信号值。

此处取样点1和取样点2代表任意两个取样点。

在大型光学装置中，利用上述激光功率计进行不同采样点取样系数的定标场景如图3所示。将各个激光功率计安装在需要测量的取样点位置，激光功率计通过交换机接入现场工业以太网，最终的测量数据通过网络汇聚到现场主机，现场同步机提供统一的同步信号。测量时，同步机产生同步信号，触发激光功率计进行采集，采集完成后的数据通过以太网传回现场主机，现场主机上的上位机软件处理数据，显示测量结果，并与装置其余部分进行数据交互和融合。

激光功率计取样系数的测量流程如图4所示。主要流程包括系统初始化、参数配置、生成外触发同步信号、信号采集、数据处理、上位机处理等。整个测量流程全自动化、通过上位机软件进行一键化操作，简便可行。

具体步骤如下：

步骤1、确定大型光学系统取样点位置，在各个取样点位置处设置上述激光功率计，并通过交换机接入现场工业以太网；

步骤2、激光功率计系统初始化；

步骤3、参数配置；

步骤4、生成外触发同步信号；

现场同步机提供统一的同步信号，用于控制多个激光功率计同时进行工作；

步骤5、信号采集；

多个激光功率计在同步信号的触发下，待测激光光学取样模块同步进行采集并衰减匀化待检测的激光信号；光电转换模拟电路模块将待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号转化为电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足数字电路模块的输入要求；

步骤6、数据处理；

数字电路模块将光电转换模拟电路输出的电压信号转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数；通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机；

上述的激光相关参数包括背景信号值和有效信号值，根据信号波形计算背景信号值和有效信号值，具体的计算公式如下：

在背景区域，主要信号为背景信号，通过采集背景区域的信号值，得到背景信号值：

S_back＝Average(N_k)

其中N_k表示背景区域采样信号值；

在有效信号区域，通过采集脉冲信号的峰值，得到有效信号值：

S_value＝max(S_k)

其中S_k表示脉冲信号区域采样信号值；

步骤7、上位机处理；

扣除背景光的影响，取样点1和取样点2的取样系数为：

其中，S_back1，S_value1表示取样点1的背景信号值和有效信号值；

S_back2，S_value2表示取样点2的背景信号值和有效信号值。

测量结果异常情况下可重新设定系统工作参数后进行测量。

Claims (8)

1.一种基于激光功率计标定大型光学系统取样系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定大型光学系统取样点位置，在各个取样点位置处设置激光功率计，并通过交换机接入现场工业以太网；

所述激光功率计包括依次直接连接的待测激光光学取样模块、光电转换模拟电路模块和数字电路模块；

所述待测激光光学取样模块包括光束预处理光学元件，所述光束预处理光学元件用于将待检测激光进行衰减，并进行匀化处理；

所述光电转换模拟电路模块包括光电探测器与模拟电路，所述光电探测器用于接收待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号，将待检测激光信号转化为电流信号；所述模拟电路用于检测光电探测器输出的电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足数字电路模块的输入要求；

所述数字电路模块包括数据处理单元，所述数据处理单元的输出接口为工业以太网接口；所述数据处理单元用于采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数；通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机；

步骤2、激光功率计系统初始化；

步骤3、参数配置；

步骤4、生成外触发同步信号；

现场同步机提供统一的同步信号，用于控制多个激光功率计同时进行工作；

步骤5、信号采集；

多个激光功率计在同步信号的触发下，待测激光光学取样模块同步进行采集并衰减匀化待检测的激光信号；光电转换模拟电路模块将待测激光光学取样模块处理后的待检测激光信号转化为电流信号，并对电流信号进行放大、滤波，将电流信号转化为电压信号，之后通过预处理，使得预处理后的电压信号满足数字电路模块的输入要求；

步骤6、数据处理；

数字电路模块将光电转换模拟电路输出的电压信号转化为数字信号，并对数字信号进行处理获得信号波形，根据信号波形计算待测激光相关参数；通过工业以太网接口将待测激光相关参数及信号波形传输至上位机；

根据信号波形计算待测激光相关参数，具体如下：

在背景区域，通过采集背景区域的信号值，得到背景信号值：

S_back＝Average(N_k)

其中N_k表示背景区域采样信号值；

在有效信号区域，通过采集脉冲信号的峰值，得到有效信号值：

S_value＝max(S_k)

其中S_k表示脉冲信号区域采样信号值；

步骤7、上位机处理；

根据数字电路模块输出的背景信号值和有效信号值，计算取样系数，具体为：

扣除背景光的影响，取样点1和取样点2的取样系数为：

其中，S_back1，S_value1表示取样点1的背景信号值和有效信号值；

S_back2，S_value2表示取样点2的背景信号值和有效信号值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7中还包括上位机根据有效信号值计算激光功率参数的过程和/或根据背景信号值计算背景杂散光的过程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述光束预处理光学元件包括反射式滤光片和积分球，反射式滤光片位于积分球入光孔位置，光电探测器位于积分球出光孔位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述积分球内表面涂覆聚四氟乙烯基改性材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：还包括探测器屏蔽罩，所述探测器屏蔽罩罩设在光电探测器外围。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述屏蔽罩的材料采用马口铁。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述数字电路模块中工业以太网接口类型为千兆网。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述数字电路模块中的数据处理单元包括FPGA与高速ADC，高速ADC用于采集光电转换模拟电路模块输出的电压信号并转化为数字信号，FPGA用于对数字信号进行处理获得信号波形，并根据信号波形计算待测激光相关参数。

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