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文檔簡介

1、機(jī)場跑道異物(FOD)雷達(dá)檢測系統(tǒng)( Foreign Object Debris radar Detection system) 研發(fā)背景 對FOD雷達(dá)檢測系統(tǒng)的要求 賽英公司與研發(fā)團(tuán)隊(duì)簡介 賽英產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn) 賽英產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品比較 賽英產(chǎn)品的工作流程成都賽英科技有限公司2010.6.8一、 研發(fā)背景簡介機(jī)場跑道異物(FOD)泛指可能損傷飛機(jī)的某種外來物質(zhì)。FOD會(huì)危及飛機(jī)和乘客的生命,造成航班延誤、中斷起飛,引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)保守估計(jì),每年全球因FOD造成的直接損失至少在30億40億美元。而間接損失是這個(gè)數(shù)字的4倍! 我國民航局機(jī)場司2009年出版的【FOD防范手冊】指出:從200

2、7年5月到2008年5月,F(xiàn)OD損傷飛機(jī)輪胎的事件在我國有4500起! 2000年7月25日,法航一架協(xié)和式客機(jī)從法國巴黎戴高樂機(jī)場起飛,兩分鐘后隨即墜毀,共有113 人遇難,法航向遇難家屬賠償約1.3億美元。這次事件的罪魁禍?zhǔn)拙褪荈OD跑道上的一塊45公分長的金屬條,這也是史上FOD造成的最大空難。 協(xié)和悲劇發(fā)生后, FOD探測系統(tǒng)的研究與開發(fā)提上日程,2006年12月,加拿大溫哥華機(jī)場安裝了Tarsier FOD監(jiān)測雷達(dá),成為全球安裝FOD監(jiān)測系統(tǒng)的第一個(gè)民航機(jī)場?,F(xiàn)在,歐美國家的一些大型民航機(jī)場已經(jīng)陸續(xù)安裝FOD監(jiān)測系統(tǒng)。在我國,既沒有引進(jìn)這種系統(tǒng)的機(jī)場,也沒有研發(fā)這種系統(tǒng)的報(bào)道。我國機(jī)

3、場對FOD的監(jiān)測都是靠人工定時(shí)巡視,靠人眼近距離搜尋,這種落后的方法效率低,可靠性差,而且大大占用了寶貴的跑道使用時(shí)間,使航班次數(shù)被迫減少。因此,研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)FOD監(jiān)測系統(tǒng)是我國航空業(yè)的當(dāng)務(wù)之急,航管業(yè)界稱之為雪中送炭。國產(chǎn)FOD監(jiān)測雷達(dá)的問世必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。二、對FOD檢測雷達(dá)系統(tǒng)的基本要求FOD探測系統(tǒng)主要采用雷達(dá)探測技術(shù)與視頻圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合來檢測FOD。賽英公司的研發(fā)也遵循這一思路。目前較為典型的產(chǎn)品有英國Qinetiq公司的Tarsier系統(tǒng)、以色列的Xsight公司的FODetect系統(tǒng)、美國TrexEnterprises公司的FODFinder系統(tǒng)和

4、新加坡Stratechsystems公司的iFerret系統(tǒng)2007年初,美國聯(lián)邦航空局(FAA)啟動(dòng)了全球機(jī)場FOD探測系統(tǒng)的評估工作,評估對象就是上述四個(gè)典型產(chǎn)品。FAA在美國進(jìn)行了為時(shí)兩年的嚴(yán)格測試工作,于2009年9月30日,正式發(fā)布關(guān)于FOD應(yīng)用的AC No: 150/5220-24(AC咨詢通告)。該通告包含了機(jī)場異物探測系統(tǒng)和設(shè)備的最低性能規(guī)范。通告明確指出FOD探測系統(tǒng)必須具備如下基本功能:(1)監(jiān)控AOA(Air Operations Area)區(qū)域;(2)探測和定位AOA區(qū)域中單個(gè)或多個(gè)FOD;(3)探測出FOD后能為用戶提供警報(bào);(4)與機(jī)場和飛機(jī)通信、空管和監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同

5、工作并不會(huì)產(chǎn)生干擾;(5)不干擾正常的機(jī)場和飛機(jī)運(yùn)行;(6)記錄探測到的FOD數(shù)據(jù),方便系統(tǒng)的校準(zhǔn)和維護(hù),以及FOD事件的分析。FAA還詳細(xì)規(guī)范了FOD探測系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo),包括系統(tǒng)至少能探測到的FOD尺寸、探測頻率、FOD出現(xiàn)后系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、探測區(qū)域、氣候影響、報(bào)警、探測數(shù)據(jù)輸出和記錄、壽命、環(huán)境條件、供電、土建要求、安裝和驗(yàn)收、質(zhì)保、檢查和測試、用戶手冊、設(shè)備培訓(xùn)和維護(hù)等方面的情況。 由于我國并無FOD檢測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),國際上也沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),美國FAA關(guān)于FOD檢測的咨詢通告就成為賽英公司研發(fā)該產(chǎn)品的唯一依據(jù)。賽英產(chǎn)品除了滿足上述7條基本要求外,按照FAA的咨詢通告,賽英產(chǎn)品的性能指標(biāo)滿

6、足以下條款。(1)目標(biāo)檢測FOD檢測系統(tǒng)必須能夠檢測到下列對象(對于移動(dòng)FOD檢測系統(tǒng),必須在最低速度30公里/小時(shí)態(tài)時(shí)具有這個(gè)性能):(a)一個(gè)未上漆的金屬圓柱體, 高3.1cm,直徑3.8cm (b)一個(gè)白色、灰色或黑色的球體,直徑3.1cm(即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大小的高爾夫球) (c)下面目標(biāo)組的百分之90。目標(biāo)放置在一個(gè)30米*30米的覆蓋區(qū)域內(nèi)。除非另有規(guī)定,每個(gè)類別必須有一件目標(biāo),每個(gè)目標(biāo)的尺寸都必須不大于10厘米。- 一塊瀝青或混凝土,- 任何位置的一個(gè)跑道燈具,- 可調(diào)月牙扳手(至少20厘米長度),- 一個(gè)深插座(至少5厘米長度),- 一片從飛機(jī)輪胎來的橡膠片,- 一片扭曲的金屬帶(20

7、厘米長度),- 燃料帽(飛機(jī)或汽車),- 凸耳螺母,- 液壓線(從飛機(jī)或GSE來, 20厘米長),- PVC管,白色(5厘米直徑),(d) 任何上述兩個(gè)目標(biāo),彼此位置分離不超過3米,被識(shí)別為分離的目標(biāo)。(2)位置精度. FOD檢測系統(tǒng)必須提供檢測對象的位置信息,誤差與實(shí)際FOD對象的位置相差5.0米以內(nèi)。注:本標(biāo)準(zhǔn)是基于手持GPS設(shè)備的平均精度,多數(shù)機(jī)場工作人員使用它對發(fā)現(xiàn)FOD作檢索。使用非視覺檢測系統(tǒng)的,需要更高定位精度的機(jī)場工作人員,可采購具有視覺檢測功能的可選組件。(3)檢測頻率 (a)連續(xù)檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須從固定檢測器提供連續(xù)工作,以容許在飛行中對跑道表面連續(xù)的檢測。航機(jī)運(yùn)作時(shí)間

8、取決于機(jī)場和由用戶指定。 (b)移動(dòng)檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須提供移動(dòng)工作能力,以加強(qiáng)授權(quán)的機(jī)場安全自檢(每個(gè)AC150/5200-18)。視察的次數(shù)取決于機(jī)場和由用戶指定。(4)檢測響應(yīng)時(shí)間. 區(qū)間被掃描時(shí),F(xiàn)OD檢測系統(tǒng)必須具有快速檢測FOD的能力。(a)對于設(shè)計(jì)用于移動(dòng)間警報(bào)的連續(xù)工作FOD檢測系統(tǒng),必須提供飛機(jī)起降之間的跑道表面檢測。(b)對于其他連續(xù)工作的FOD檢測系統(tǒng),必須提供由機(jī)場指定的檢測更新,一般在發(fā)現(xiàn)FOD后 4分鐘以內(nèi)需要更新。(5)監(jiān)督區(qū). 機(jī)場工作人員將在需要FOD檢測的AOA里指定的所需監(jiān)督區(qū)。這個(gè)區(qū)域通?;跈C(jī)場的FOD管理計(jì)劃。覆蓋的最初區(qū)域是跑道(如果完全覆蓋是不

9、可行的,機(jī)場工作者可指定跑道的某些部分)。其他區(qū)域較為次要,其優(yōu)先度減少,從鋪設(shè)活動(dòng)區(qū)降為非鋪設(shè)的,非活動(dòng)區(qū)。FOD檢測系統(tǒng)的制造商必須通知機(jī)場工作者,在監(jiān)督區(qū)里檢測不可能進(jìn)行的任何地點(diǎn)。(6)在氣候條件下的性能. FOD檢測系統(tǒng)都必須給出明朗和惡劣天氣條件下的檢測性能。在天氣晴朗的條件下,AOA的路面應(yīng)該是干燥的,而在惡劣天氣條件下,路面將因?yàn)橛?,雪,或二者混合而潮濕?a)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)暴的兩年類型(如克利姆20,美國第20號氣候指定類別)得出在降雨或降雪條件下(如,有一個(gè)具體的強(qiáng)度,持續(xù)時(shí)間和頻率)檢測目標(biāo)。更嚴(yán)格的要求可由用戶指定。(b)FOD探測系統(tǒng)必須有現(xiàn)場的性能指標(biāo),它們包括: (i

10、)在晴朗天氣條件下的性能;(ii)在惡劣天氣條件下的性能;以及(iii)為用戶提供在雨或雪風(fēng)暴后與該系統(tǒng)恢復(fù)所需的時(shí)間數(shù)量,即惡劣天氣條件平息后恢復(fù)晴朗氣候時(shí)的性能的能力。在這種情況下,惡劣天氣條件的結(jié)束將被定義為降雨或降雪的結(jié)束。(c)亮度條件。所有系統(tǒng)必須給出在白天、夜間和黎明/黃昏工作時(shí)的檢測性能。(7)警示和報(bào)警 FOD檢測系統(tǒng)必須能夠警示系統(tǒng)工作者在掃描領(lǐng)域FOD的存在。警報(bào)必須給機(jī)場管理提供足夠的信息,用來評估危害程度,以確定是否需要立即清除目標(biāo)。(a)虛假警報(bào)(導(dǎo)致機(jī)場工作者采取行動(dòng)清除并不存在FOD目標(biāo))應(yīng)盡量減少,并且不得超過:(i)對于具有可視檢測能力的FOD檢測系統(tǒng),平均

11、每90天期間里,每天一個(gè)。(ii)對于沒有可視檢測能力的FOD檢測系統(tǒng),平均每90天期間里,每天三個(gè)。三、賽英公司及其研發(fā)團(tuán)隊(duì)簡介1、 公司簡介成都賽英科技有限公司成立于2000年,是一家國家級高科技股份制有限責(zé)任公司。賽英公司目前主營產(chǎn)品是射頻/微波電路與系統(tǒng),產(chǎn)品類型包括微波接收機(jī)發(fā)射機(jī)、微波頻率合成器、腔體濾波器、低噪聲放大器、微波功率放大器、專用微波測試儀器、數(shù)?;旌衔⒉K以及各種微波無源和有源模塊。其頻率覆蓋RF到微波全頻段。賽英主營產(chǎn)品的市場均面向軍工企業(yè)。公司2002年通過新時(shí)代質(zhì)量認(rèn)證中心2000版ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證和GJB9001A-2001質(zhì)量管理體系認(rèn)證。2

12、008年通過軍工保密資格認(rèn)證。2009年首批通過國家級高科技企業(yè)的復(fù)審。2009年獲得軟件企業(yè)認(rèn)證。公司具備配套完善的微波硬件測試手段,其中包括40GHz高分辨率頻譜分析儀、50GHz低噪聲信號源、40GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、調(diào)制域分析儀等高端設(shè)備。公司還配置了高低溫、濕熱、老化、振動(dòng)等試驗(yàn)設(shè)備及芯片組裝設(shè)備,使公司所有產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)得到保證。近年來,賽英公司管理層定下了用航管雷達(dá)整機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)公司二次創(chuàng)業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。賽英公司陸續(xù)投入重金,克服諸多困難,研發(fā)了“機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)”和“FOD雷達(dá)檢測系統(tǒng)”。 機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)項(xiàng)目得到了省經(jīng)委重裝辦的經(jīng)費(fèi)支持,所完成的樣機(jī)通過有關(guān)部門的驗(yàn)收并在成都雙

13、流機(jī)場試驗(yàn)。FOD雷達(dá)檢測系統(tǒng)項(xiàng)目已進(jìn)行了3年,在第一部Ku波段樣機(jī)的基礎(chǔ)上研制了毫米波FOD雷達(dá)檢測系統(tǒng),并已獲得成都市科技創(chuàng)新基金。這兩部雷達(dá)均填補(bǔ)了我國航管領(lǐng)域的空白。2、 研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人(1)、雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)汪學(xué)剛 知名雷達(dá)專家、電子科大博導(dǎo)、教授 、賽英公司總工程師。1992年獲西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位,1992后進(jìn)入電子科技大學(xué)博士后工作站流動(dòng)站工作。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80多篇,獲省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)三項(xiàng),主持和參與完成二十多個(gè)項(xiàng)目的科研工作,目前正從事包括數(shù)字陣列雷達(dá)在內(nèi)的多個(gè)項(xiàng)目的研究工作,賽英公司機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)和跑道異物監(jiān)測雷達(dá)項(xiàng)目主持人。(2)、微波毫米波電路與系統(tǒng)張玉興、劉光祜、趙

14、宏飛 張玉興,電子科大博導(dǎo)、教授 、賽英公司董事長,賽英公司創(chuàng)辦人。1965 年畢業(yè)于成都電訊工程學(xué)院,1985-1987 年赴美國休斯敦大學(xué)任訪問學(xué)者。長期從事射頻、微波電路與系統(tǒng)、頻率合成技術(shù)、通信系統(tǒng)信道方面的教學(xué)和科研工作。著有專著射頻模擬電路、非線性電路與系統(tǒng)射頻模擬電路與系統(tǒng),射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)、無線應(yīng)用射頻微波電路設(shè)計(jì)。 培養(yǎng)研究生多人。 劉光祜,成都賽英公司技術(shù)總監(jiān),電子科技大學(xué)教授,賽英公司創(chuàng)始人之一。19891992年作為高訪學(xué)者赴美國內(nèi)華達(dá)里諾大學(xué)工作三年,從事DR及指數(shù)漸變微帶線的應(yīng)用研究。目前主要從事雷達(dá)通信等領(lǐng)域的射頻微波電路與系統(tǒng)研究以及應(yīng)用電子技術(shù)研究。對

15、IC器件的動(dòng)態(tài)及應(yīng)用有較好的把握。近年來在高指標(biāo)跳頻源的研究方向上取得了若干國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進(jìn)的成果。 趙宏飛,電子科技大學(xué)博士,成都賽英公司技術(shù)副總經(jīng)理。2002-2003年在華為公司工程師從事移動(dòng)通信基站收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)。現(xiàn)全面負(fù)責(zé)賽英RF微波電路與系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā),主持“數(shù)字測頻技術(shù)研究”、“測向儀單脈沖接收機(jī)系統(tǒng)”、“SIN1130X小型數(shù)字化雷達(dá)綜合測試儀”等數(shù)個(gè)項(xiàng)目,均獲得省部級科技成果鑒定(3)軟件與信號處理吳義華、崔明雷 吳義華,賽英公司軟件部負(fù)責(zé)人,主持賽英產(chǎn)品中軟件與數(shù)字技術(shù)的研發(fā)工作。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息科學(xué)少年班學(xué)員、中科大物理電子學(xué)博士,2009年獲得國家自然科學(xué)

16、基金。 崔明雷,電子科技大學(xué)碩士,賽英公司信號處理組負(fù)責(zé)人 1993.7-2002.9 在山東康威電子有限公司從事語音通信系統(tǒng)的硬件開發(fā)。2005年后從事雷達(dá)信號處理,雷達(dá)信號模擬方面的研究,賽英公司機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)的主要研發(fā)人之一。四、賽英產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)1、雷達(dá)總體技術(shù)方案和指標(biāo)賽英公司機(jī)場跑道異物(FOD)監(jiān)測雷達(dá)采用FMCW體制的毫米波雷達(dá),總體框圖如下:射頻模塊中頻模塊信號處理模塊數(shù)據(jù)處理綜合顯示伺服系統(tǒng)電源模塊雷達(dá)系統(tǒng)組成項(xiàng)目考核技術(shù)指標(biāo):(1)最大作用距離250m,條件:RCS=-30dBm2(2)信號帶寬:800MHz(3)發(fā)射功率10dBm(4)天線波束寬度:0.4o2.4o(5

17、)信號處理增益80dB2、雷達(dá)創(chuàng)新內(nèi)容FOD監(jiān)測雷達(dá)只有美英等少數(shù)國家能夠研制生產(chǎn),而且查不到任何相關(guān)的的技術(shù)資料。在我國,這個(gè)項(xiàng)目還是空白。因此該項(xiàng)目的啟動(dòng)和研制本身就是創(chuàng)新。下面3點(diǎn)僅是理論和技術(shù)創(chuàng)新的要點(diǎn)。 (1)雷達(dá)體制創(chuàng)新采用高距離分辨率和高方位分辨率的毫米波FMCW(線性調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)體制,在理論上解決了強(qiáng)地雜波背景下的目標(biāo)檢測難題。(2)天線設(shè)計(jì)創(chuàng)新收發(fā)雙天線同步掃描。用極化相異設(shè)計(jì)來解決CW雷達(dá)的收發(fā)隔離問題。(3)信號處理算法創(chuàng)新采用新的CFAR(恒虛警處理)算法、新的掃描自適應(yīng)濾波算法、新的脈沖壓縮與相參積累算法。這些軟件技術(shù)是FOD監(jiān)測雷達(dá)的核心技術(shù)。3、雷達(dá)主要技術(shù)難

18、點(diǎn):(1)毫米波收發(fā)前端技術(shù)包括毫米波大功率發(fā)射技術(shù)和大動(dòng)態(tài)低噪聲接收技術(shù)兩方面。(2)毫米波天線技術(shù)這包括高性能毫米波天線設(shè)計(jì)、精密加工、調(diào)測和天線的收發(fā)隔離等問題的解決。(3)中頻接收技術(shù)包括低相位噪聲低雜散線性調(diào)頻頻率合成器的研制、高增益大動(dòng)態(tài)線性中頻放大鏈和強(qiáng)干擾抑制濾波技術(shù)等問題的解決。(4)數(shù)字信號處理技術(shù)它包括:大帶寬高分辨脈沖壓縮技術(shù)、掃描自適應(yīng)濾波技術(shù)、低信噪比和低信雜比環(huán)境下的目標(biāo)檢測技術(shù)、適應(yīng)機(jī)場條件的CFAR技術(shù)。4、與雷達(dá)配套的光學(xué)設(shè)備當(dāng)探測雷達(dá)發(fā)現(xiàn)FOD存在后,需要用光學(xué)設(shè)備識(shí)別和確認(rèn)。由于要求光學(xué)設(shè)備具有全天候識(shí)別的能力,這套設(shè)備包括:滿足需要的寬視角攝像機(jī);用于

19、白天的高變焦彩色攝像機(jī);在夜間使用高變焦低光相機(jī),在亮度非常低或零光條件下使用紅外線照明燈。這套設(shè)施在國內(nèi)有配套廠家,賽英公司通過向國內(nèi)相關(guān)廠家訂購來獲得。五、賽英產(chǎn)品與國外同內(nèi)產(chǎn)品的比較賽英公司研發(fā)的FOD雷達(dá)檢測系統(tǒng)主要綜合了以下兩種國外最先進(jìn)雷達(dá)的特點(diǎn),降低了成本,但性能相當(dāng)。介紹如下:以色列的Xsight公司開發(fā)的FODetect系統(tǒng)由77GHz毫米波雷達(dá)和攝像設(shè)備所組成,多個(gè)道面監(jiān)測單元(SDU)分別安裝在不同位置的跑道邊燈上,每個(gè)SDU都對跑道中線附近的區(qū)域進(jìn)行掃描,發(fā)現(xiàn)FOD后,可以立即向機(jī)場管理人員發(fā)出報(bào)警信息,告知FOD的準(zhǔn)確位置以及發(fā)現(xiàn)時(shí)間。而后,設(shè)備會(huì)拉近鏡頭,提供FOD

20、的視頻圖像,發(fā)現(xiàn)FOD之后,傳感器會(huì)鎖定FOD的位置,以幫助機(jī)場管理人員將FOD取走,在夜間,還可使用激光指示器協(xié)助將FOD取走。此系統(tǒng)可在30秒內(nèi)完成對整條跑道的掃描,采用視頻識(shí)別系統(tǒng)可以在毫米波雷達(dá)探測到FOD后,對探測結(jié)果進(jìn)行視頻確認(rèn),從而使虛警率大大降低。英國Qinetiq公司研究開發(fā)Tarsier1100(T1100)FOD探測系統(tǒng)。T1100工作頻率為94.5GHz,雷達(dá)體制為連續(xù)波調(diào)頻(FMCW),具有雷達(dá)探測距離長、波束窄和分辨率高的特點(diǎn),能夠?qū)δ繕?biāo)位置準(zhǔn)確地定位。FMCW技術(shù)具有探測靈敏度高、成本低和峰值功率低等特點(diǎn);同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理技術(shù),可對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)探測和識(shí)

21、別,能及時(shí)、可靠地探測到跑道上最大雷達(dá)散射截面為0.01m2雜物并予以定位。美國FAA關(guān)于FOD的咨詢通告指明,F(xiàn)ODetect系統(tǒng)性能最好,但它需要大量(100個(gè))安置在跑道燈旁,不但每一個(gè)裝置都是一部雷達(dá),成本高,且對現(xiàn)有機(jī)場改造安裝難度大。Tarsier1100系統(tǒng)數(shù)量很少(2-3個(gè)),安裝塔臺(tái)遠(yuǎn)離跑道,但發(fā)射功率較大,成本也高。賽英公司研發(fā)的FOD監(jiān)測雷達(dá)結(jié)合了上述兩部雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)裝置的頻率和功率與FODetect系統(tǒng)相當(dāng),但其數(shù)量僅為FODetect系統(tǒng)的五分之一以下。雷達(dá)不是裝在跑道燈旁,而是裝在稍遠(yuǎn)離跑道的塔臺(tái)上,使覆蓋面積加大,雷達(dá)數(shù)量減少。由于不受跑道旁設(shè)施對高度的限制,對舊機(jī)場的改造較為方便。由于實(shí)施方案考慮了節(jié)約成本,除了毫米

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