信号检测在雷达系统方面的应用.doc

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1、信号检测与估计理论在雷达系统方面的应用摘要:随着互联网应用的普及及发展,信号的检测与估计技术的应用也越来越受到人们的关注。雷 达 中 的 信 号 检 测 是 一 个 综 合 性 问 题 , 涉 及 多 个 学 科 , 多 领 域 知 识 , 所 以 它 是科学领域最为关注的问题。近年来已经开展了大量雷达系统信号实现方法相关的研究课题,其中回波信号的检测和估计是最为重要的方面。本论文就是针对雷达信号检测和估计的精确性问题加以展开的。关键词:雷达系统,信号估计,信号检测第一章 雷达系统1.1 起源和发展 早 期 雷 达 用 接 收 机 、 显 示 器 并 靠 人 眼 观 察 来 完 成 信 号 检

2、 测 和 信 息 提 取 的 工 作 。 接 收机 对 目 标 的 回 波 信 号 进 行 放 大 、 变 频 和 检 波 等 , 使 之 变 成 能 显 示 的 视 频 信 号 , 送 到 显 示器 。 人 们 在 显 示 器 的 荧 光 屏 上 寻 找 类 似 于 发 射 波 形 的 信 号 , 以 确 定 有 无 目 标 存 在 和 目 标的 位 置 。 随 着 雷 达 探 测 距 离 的 延 伸 ,回 波 变 弱 ,放 大 倍 数 需 要 增 加 。 于 是 , 接 收 机 前 端产 生 的 噪 声 和 机 外 各 种 干 扰 也 随 着 信 号 一 起 被 放 大 , 而 成 为 影

3、 响 检 测 和 估 计 性 能 的 重 要因 素 。 这 时 ,除 了 降 低 噪 声 强 度 之 外 ,还 要 研 究 接 收 系 统 频 带 宽 度 对 发 现 回 波 和 测 量 距离 精 度 的 影 响 。 这 是 对 雷 达 检 测 理 论 的 初 期 研 究 。 后 来 , 人 们 开 始 在 各 种 干 扰 背 景 中 对各 种 信 号 进 行 检 测 和 估 计 的 理 论 研 究 , 其 中 有 些 结 论 , 如 匹 配 滤 波 理 论 , 关 于 滤 波 、 积累 、 相 关 之 间 等 效 的 理 论 , 测 量 精 度 极 限 的 理 论 , 雷 达 模 糊 理 论

4、 等 , 已 在 实 际 工 作 中得 到 应 用 .1.2 雷达的概述雷达的英文名字是 radar,是“无线电探测与定位”的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标,测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中,集中在某一个很窄的方向上形成波束,向前传播。电磁波遇到波束内的目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机,形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁

5、波会随着传播距离而衰减,雷达回波信号非常微弱,几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号,经过信号处理机处理,提取出包含在回波中的信息,送到显示器,显示出目标的距离、方向、速度等。 为了测定目标的距离,雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间,这个延迟时间是电磁波从发射机到目标,再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度,可以确定目标的距离为:S=CT/2 其中 S:目标距离 ;T:电磁波从雷达到目标的往返传播时间 ;C:光速1.3 雷达的工作原理雷达是利用目标对电磁波的反射(或称为二次散射)现象来发现目标并测定其位置的空间任一目标所在位置可用下列三个坐标来确定:1目

6、标的斜距 R;2方位角 a;3仰角 B。同时也就是说根据雷达接收到的信号检查是否含有目标反射回波,并从反射回波中测出有关目标状态的数据。第二章 雷达中的信号检测雷 达 的 基 本 任 务 是 发 现 目 标 并 测 定 其 坐 标 通 常 目 标 的 回 波 信 号 中 总 是 混 杂 着 噪 声 和各 类 干 扰 而 噪 声 和 各 种 干 扰 信 号 均 具 有 随 机 持 性 在 这 种 条 件 下 发 现 目 标 的 问 题 属 于 信 号检 测 的 范 畴 信 号 检 测 理 论 就 是 要 解 决 判 断 信 号 是 否 存 在 的 方 法 及 其 最 佳 处 理 方 式 。2.1

7、.雷达信号的最佳检测及基本概念检 测 系 统 的 任 务 是 对 输 入 信 号 进 行 必 要 的 处 理 和 运 算 然 后 根 据 系 统 的 输 出 来 判 断 输入 是 否 有 信 号 存 在 它 可 用 门 限 检 测 来 描 述 。检 测 过 程 中 , 由 于 门 限 取 值 的 不 同 产 生 的 错 把 噪 声 检 测 成 了 目 标 , 这 类 错 误 称 之为 虚 警 , 出 现 的 概 率 称 为 虚 警 概 率 ; 反 之 , 错 把 信 号 当 成 了 噪 声 , 称 为 漏 检 或 漏 警 ,相 应 出 现 概 率 为 漏 检 概 率 。门 限 的 确 定 与

8、选 择 的 最 佳 准 则 有 关 。 在 信 号 检 测 中 常 采 用 的 最 佳 准 则 有 贝 叶 斯 准则 最 小 错 误 概 率 准 则 最 大 后 验 概 率 准 则 极 大 极 小 化 准 则 以 及 纽 曼 皮 尔 逊 准 则 等 。对 于 雷 达 信 号 的 检 测 因 预 先 并 不 知 道 目 标 出 现 的 概 率 也 很 难 确 定 次 漏 检 所 造成 的 损 失 所 以 通 常 选 择 的 准 则 是 纽 曼 皮 尔 逊 准 则 即 在 保 持 某 一 规 定 的 虚 警 概 率 下 使漏 检 概 率 达 到 最 小 或 使 正 确 检 测 概 率 达 到 最

9、大 在 这 一 准 则 约 束 下 结 合 信 号 的 概 率 密 度 函数 概 念 我 们 可 用 推 得 以 下 结 论 :雷 达 信 号 的 最 佳 检 测 系 统 最 佳 接 收 系 统 是 由 一 个 似 然 比 计 算 器 和 一 个 门 限 判 决 器组 成 , 不 同 的 准 则 体 现 在 门 限 值 不 同 。 其 中 , 似 然 比 定 义 为 : 有 信 号 时 有 噪 声 时 的概 率 密 度 函 数 之 比 。 并 且 对 于 相 加 性 平 稳 高 斯 白 噪 声 时 的 似 然 比 计 算 器 的 核 心 就 是 匹配 滤 波 器 。2.2 雷达信号检测技术雷

10、达 检 测 的 背 景 随 机 过 程 主 要 有 两 种 : 由 天 线 接 收 进 来 的 和 由 接 收 机 前 端 产 生的 噪 声 , 是 功 率 谱 密 度 为 常 数 的 平 稳 随 机 过 程 , 称 为 白 噪 声 ; 发 射 信 号 受 到 带 有 随机 起 伏 的 物 体 , 如 地 物 、 云 雨 、 箔 条 等 的 反 射 而 造 成 的 杂 波 , 由 于 起 伏 有 相 关 性 , 其 功率 谱 密 度 不 是 常 数 , 称 为 非 白 噪 声 或 色 噪 声 。 人 为 干 扰 依 相 对 谱 宽 可 分 别 归 入 上 述 两 种 。一 般 检 测 理 论

11、所 讨 论 的 检 测 信 号 有 三 种 : 完 全 已 知 的 确 定 信 号 ; 含 未 知 参 量的 确 定 信 号 ; 随 机 信 号 。 雷 达 检 测 中 ,最 简 单 的 情 况 是 理 想 点 目 标 的 反 射 信 号 ,信号 幅 度 和 相 位 均 属 未 知 。 这 就 是 上 述 第 二 种 信 号 , 称 为 不 起 伏 信 号 。 对 于 带 有 起 伏 的 复杂 目 标 , 则 要 考 虑 随 机 起 伏 的 相 关 性 和 分 布 。 在 脉 冲 搜 索 雷 达 中 , 着 重 研 究 各 重 复 周 期间 完 全 不 相 关 的 和 各 天 线 扫 描 次

12、数 间 完 全 不 相 关 的 两 种 情 况 , 即 快 起 伏 信 号 和 慢 起 伏 信号 。 在 任 一 种 噪 声 背 景 中 发 现 任 一 种 信 号 的 检 测 系 统 , 在 原 理 上 都 可 以 划 分 成 两 个 部 分 : 对 接 收 到 的 可 能 含 有 回 波 的 信 号 进 行 处 理 , 获 得 统 计 量 。 这 种 处 理 可 以 是 线 性 的 , 也可 以 是 非 线 性 的 。 将 所 得 统 计 量 同 一 个 门 限 电 平 相 比 较 , 按 其 大 于 还 是 小 于 门 限 电平 作 出 有 无 目 标 的 判 断 。 这 个 门 限 可

13、 以 是 不 变 的 , 也 可 以 是 随 信 号 性 质 而 自 动 调 整 的 。还 有 一 种 采 用 两 个 门 限 的 序 列 检 测 法 , 即 当 统 计 量 大 于 上 门 限 时 , 判 为 有 目 标 ; 当 统 计量 小 于 下 门 限 时 , 判 为 无 目 标 ; 而 当 统 计 量 处 于 两 门 限 之 间 时 , 增 加 信 号 持 续 观 察 时 间以 获 得 新 的 统 计 量 进 行 判 决 。 雷 达 检 测 的 质 量 可 用 两 种 概 率 值 表 示 。 发 现 概 率 PD: 在 有 目 标 条 件 下 系 统 报 出“有 目 标 ”的 概 率

14、 , 概 率 越 大 越 好 ; 虚 警 概 率 PF:在 无 目 标 条 件 下 系 统 报 出 “有 目标 ”的 概 率 , 概 率 越 小 越 好 。 如 果 检 测 系 统 的 处 理 部 分 仅 是 线 性 的 ,输 出 信 号 -噪 声比 同 上 述 概 率 具 有 直 接 的 关 系 ( 图 1) 。 对 未 知 相 位 的 单 个 脉 冲 进 行 检 测 时 ,若 要 保证 PD=0.9,PF =10-6, 则 信 号 峰 值 应 比 噪 声 均 方 根 值 强 12 倍 ( 即 16 分 贝 ) 。 最 佳 线 性 处 理 由 于 输 入 信 号 和 噪 声 的 频 谱 形

15、状 不 同 , 处 理 电 路 选 择 适 当 的 频 率特 性 , 可 使 每 个 回 波 的 输 出 信 号 -噪 声 比 达 到 最 大 ,从 而 使 检 测 性 能 最 佳 。 这 样 的 线 性电 路 称 为 最 佳 滤 波 器 。 白 噪 声 中 使 信 号 噪 声 比 最 大 的 最 佳 滤 波 器 , 具 有 同 信 号 频 谱 共轭 相 似 的 频 率 特 性 , 其 脉 冲 响 应 是 信 号 的 共 轭 镜 像 , 通 常 称 为 匹 配 滤 波 器 。 这 时 ,最大 的 输 出 信 -噪 功 率 比 等 于 输 入 信 号 能 量 同 输 入 噪 声 功 率 谱 密

16、度 之 比 , 而 与 信 号 形 状 无关 。 色 噪 声 中 使 信 号 -噪 声 比 最 大 的 最 佳 滤 波 器 ,可 以 用 设 想 使 色 噪 声 变 成 白 噪 声 ( 即所 谓 “白 化 ”) 的 方 法 推 导 求 得 。 它 的 频 率 特 性 应 反 比 例 于 色 噪 声 功 率 谱 密 度 , 正 比例 于 信 号 频 谱 共 轭 。 对 于 接 收 信 号 , 采 用 去 多 普 勒 频 移 后 再 同 发 射 延 迟 波 形 求 互 相 关 ( 即 相 乘 后 积 分 )的 方 法 , 可 以 获 得 相 当 于 匹 配 滤 波 的 效 果 。 相 关 接 收

17、适 用 于 复 杂 的 编 码 调 制 波 形 ; 而 滤波 接 收 适 用 于 线 性 调 频 波 形 。 当 雷 达 接 收 到 的 回 波 脉 冲 数 目 不 止 一 个 时 , 可 以 利 用 各 次 信 号 中 回 波 相 关 而 噪 声 不相 关 的 性 质 进 行 相 加 , 以 提 高 信 -噪 比 。 这 种 相 加 是 线 性 的 ,称 为 积 累 。 只 要 系 统 中 没有 非 线 性 ,对 单 个 脉 冲 波 形 匹 配 滤 波 后 积 累 N 次 完 全 等 效 于 对 N 个 脉 冲 波 形 匹 配 滤 波的 效 果 。 非 线 性 处 理 早 期 雷 达 用 以

18、 将 中 频 信 号 变 成 视 频 信 号 的 检 波 器 , 只 检 取 幅 度 信息 而 丢 弃 相 位 信 息 , 称 为 非 相 参 检 波 , 又 称 包 络 检 波 或 幅 度 检 波 。 这 类 检 波 的 本 质 是 非线 性 的 。 当 输 入 信 -噪 比 在 零 分 贝 以 下 , 输 出 信 -噪 比 会 正 比 例 于 输 入 信 -噪 比 的 平 方 ,从而 破 坏 在 检 波 后 积 累 的 效 果 ,相 当 于 引 入 了 检 波 造 成 的 信 -噪 比 损 失 。 现 代 雷 达 大 多 采用 两 个 相 参 检 波 器 , 它 们 的 参 考 信 号 相

19、 位 差 90( 图 2) 。 两 路 视 频 信 号 代 表 复 包 络的 实 部 与 虚 部 , 因 而 既 含 有 幅 度 信 息 又 含 有 相 位 信 息 。 这 种 不 丢 失 相 位 信 息 的 方 法 称 为正 交 视 频 处 理 或 I、 Q 通 道 处 理 ,又 称 为 零 中 频 处 理 。 这 种 处 理 可 以 保 证 两 通 道 内 对 视频 信 号 的 处 理 仍 为 线 性 。 恒 虚 警 率 在 假 设 噪 声 背 景 分 布 已 知 的 条 件 下 设 计 出 质 量 最 好 的 检 测 方 法 , 称 为参 量 型 最 佳 检 测 。 采 用 参 量 检

20、测 常 会 使 虚 警 概 率 随 噪 声 背 景 的 改 变 ( 如 强 度 变 化 或 分 布不 符 假 设 条 件 ) 而 变 化 。 这 不 仅 影 响 检 测 性 能 , 更 严 重 的 是 会 使 后 面 的 数 据 处 理 机 负 载过 大 。 保 持 检 测 系 统 虚 警 率 恒 定 的 措 施 有 自 适 应 门 限 法 、 非 线 性 接 收 法 和 非 参 量 型 检 测三 类 。 自 适 应 门 限 法 : 假 设 噪 声 分 布 是 若 干 个 未 知 参 数 的 函 数 , 用 被 测 单 元 前 后 的若 干 单 元 ( 称 为 邻 近 单 元 ) 中 的 数

21、据 估 计 出 参 数 , 用 以 确 定 维 持 虚 警 率 不 变 所 需 要 的 门限 值 。 实 际 工 作 时 自 动 根 据 输 入 噪 声 的 变 化 来 调 整 门 限 以 达 到 虚 警 率 恒 定 的 要 求 , 这 类方 法 中 最 简 单 的 是 邻 近 单 元 平 均 法 , 就 是 将 若 干 邻 近 单 元 中 的 噪 声 数 据 平 均 值 当 作 检 测门 限 。 非 线 性 接 收 法 : 利 用 接 收 机 幅 度 特 性 上 的 非 线 性 , 使 接 收 增 益 随 输 入 噪 声 背景 电 平 变 化 , 以 使 输 出 起 伏 的 均 方 根 值

22、不 变 , 从 而 维 持 恒 定 的 虚 警 率 。 这 类 方 法 有 许 多种 ,常 见 的 有 :对 数 特 性 加 快 速 时 间 常 数 电 路 或 脉 冲 展 宽 电 路 ; 宽 -限 -窄 电 路 ,即 在 宽频 带 中 频 放 大 器 后 接 硬 限 幅 器 ,再 接 窄 频 带 中 频 放 大 器 使 噪 声 电 平 维 持 一 定 。 非 参量 型 检 测 : 设 输 入 噪 声 分 布 未 知 , 仅 作 一 些 很 弱 的 假 设 ( 如 对 称 性 、 非 负 性 、 样 本 独 立性 等 ) , 通 过 非 线 性 变 换 把 无 回 波 ( 仅 有 噪 声 )

23、的 信 号 变 成 服 从 已 知 分 布 律 的 随 机 信 号 ,然 后 对 可 能 有 回 波 的 信 号 利 用 分 布 的 变 化 检 测 出 目 标 。 这 种 检 测 器 按 输 入 端 数 目 分 为 单输 入 和 双 输 入 两 种 , 按 变 换 的 形 式 又 分 为 秩 值 检 测 、 符 号 检 测 、 正 态 计 分 检 测 和 极 性 重合 检 测 等 。 信 息 提 取 从 雷 达 接 收 到 的 信 号 中 可 以 获 取 有 关 目 标 状 态 的 许 多 信 息 , 通 常 有 : 由 时 间 延 迟 确 定 的 距 离 数 据 ; 由 多 普 勒 频 移

24、 确 定 的 径 向 速 度 数 据 ; 由 天 线 波 束 状态 确 定 的 角 度 数 据 。 由 于 信 号 中 混 有 噪 声 干 扰 , 测 得 的 数 据 必 然 同 真 实 数 据 之 间 存 在 随机 误 差 和 系 统 误 差 。 统 计 参 数 估 计 理 论 给 出 随 机 误 差 均 方 根 值 的 极 限 公 式 , 称 为 克 莱 莫 罗 不 等 式 。 按 此 式 即 可 求 出 测 量 各 种 数 据 的 极 限 精 度 。 距 离 信 息 根 据 目 标 反 射 回 波 相 对 于 发 射 信 号 的 时 间 延 迟 , 确 定 目 标 相 对 于 雷达 天

25、线 之 间 的 距 离 。 在 脉 冲 雷 达 中 , 测 量 时 延 的 方 法 主 要 有 前 后 沿 门 限 法 和 门 波 求 积法 两 种 。 前 后 沿 门 限 法 : 把 混 有 噪 声 的 回 波 信 号 同 门 限 电 平 相 比 较 , 利 用 回 波 前 沿和 后 沿 同 门 限 相 交 的 两 点 时 刻 平 均 值 作 为 相 对 时 延 ; 门 波 求 积 法 : 把 混 有 噪 声 的 回波 信 号 同 一 个 门 波 信 号 相 乘 后 求 面 积 。 当 门 波 对 准 目 标 反 射 回 波 时 面 积 应 为 最 大 , 利 用面 积 值 最 大 时 的

26、门 波 位 置 作 为 相 对 时 延 的 测 量 值 。 门 波 求 积 法 的 精 度 优 于 前 后 沿 门 限 法 。测 量 时 延 的 极 限 均 方 根 误 差 为 式 中 为 信 噪 电 压 比 ; 墹 f 为 信 号 均 方 根 频 带 宽 度 , 即 s(f)为 信 号 复 包 络 的 频 谱 ( 已 按 中 心 频 率 为 零 归 一 化 ) 。 速 度 信 息 根 据 目 标 反 射 回 波 频 谱 相 对 于 发 射 信 号 频 谱 的 多 普 勒 频 移 来 确 定 目 标同 雷 达 天 线 之 间 的 距 离 变 化 率 ( 即 径 向 速 度 ) 。 在 脉 冲

27、雷 达 中 , 测 量 多 普 勒 频 移 的 方 法主 要 有 锁 频 法 和 测 向 差 分 法 两 种 。 锁 频 法 : 用 锁 频 回 路 或 锁 相 回 路 产 生 一 个 频 率 等于 标 准 中 频 加 目 标 多 普 勒 频 移 的 正 弦 波 , 测 量 正 弦 波 的 频 率 即 可 确 定 目 标 回 波 的 多 普 勒频 移 ; 测 相 差 分 法 : 用 正 交 视 频 通 道 的 两 路 信 号 值 求 出 各 周 期 的 相 位 , 测 量 相 邻 周期 之 间 的 相 位 差 即 可 确 定 目 标 回 波 的 多 普 勒 频 移 。 测 量 多 普 勒 频

28、移 的 极 限 均 方 根 误 差 为,式 中 为 信 噪 电 压 比 ; 墹 t 为 信 号 均 方 根 时 间 宽 度 , 即 s(t)为 信 号 复 包 络 ( 已 按 中 心 时 间 为 零 归 一 化 ) 。 角 度 信 息 测 量 目 标 回 波 入 射 方 向 角 的 方 法 有 两 类 : 天 线 波 束 是 运 动 的 ,如螺 旋 扫 描 ,在 方 位 上 连 续 扫 描 或 俯 仰 。 根 据 回 波 同 运 动 之 间 的 关 系 确 定 角 度 数 据 , 称 为波 束 扫 描 法 。 具 有 多 个 相 对 固 定 的 天 线 波 束 , 如 多 个 馈 源 形 成

29、的 重 叠 波 束 。 根 据 同一 时 刻 不 同 波 束 中 收 到 的 回 波 之 间 的 强 弱 来 确 定 角 度 数 据 , 称 为 单 脉 冲 法 。 测 量 角 度 的极 限 均 方 根 误 差 为 , 式 中 为 信 噪 电 压 比 ; 为 波 长 ; 墹 为 天 线一 维 有 效 均 方 根 长 度 。第三章 雷达信号估计3.1 杂波处理为 了 消 除 地 物 杂 波 的 影 响 通 常 采 用 动 目 标 显 示 装 置 , 但 是 动 目 标 显 示 技 术 是 利 用目 标 具 有 一 定 的 径 向 速 度 来 区 分 目 标 与 地 物 的 如 果 目 标 的 径

30、 向 速 度 很 小 或 为 零 例 如 飞 机对 雷 达 作 切 线 飞 行 那 就 无 法 利 用 速 度 区 分 在 这 种 情 况 下 要 能 检 测 出 目 标 仍 然 只 能 采 用 恒虚 警 率 处 理 。地 物 杂 波 和 气 象 海 浪 杂 波 不 同 它 沿 距 离 或 方 位 的 变 化 十 分 剧 烈 使 单 元 平 均 恒 虚 警 率电 路 难 于 应 用 但 是 同 距 离 方 位 单 元 里 的 地 物 杂 波 它 的 振 幅 随 时 间 的 起 伏 是 很 小 的 因 而 可采 用 “时 间 单 元 ”平 均 恒 虚 警 率 的 处 理 方 法 在 时 间 上

31、取 平 均 值 估 值 这 时 将雷达周围的二维平面分成许多方位距离单元把方位距离单元的接收信号存入一个存储器中每个存储单元对应一个方位距离单元并且随着天线的扫描每个单元存储的信号进行递推更新这就得到幅度杂波图。3.2 运动目标的多普勒效应多 普 勒 效 应 是 指 当 发 射 源 和 接 收 者 之 间 有 相 对 径 向 运 动 时 接 收 到 的 信 号 载 频 相 对 于发 射 信 号 的 载 频 产 生 一 个 频 移 的 现 象=FdVr2fd多 卜 勒 频 移 Hz;Vr雷 达 与 目 标 之 间 的 径 向 速 度 (m/s);载 波 波 长 (m)最 大 不 模 糊 多 普

32、勒 频 移 为 dmax=ffrax2V总结: 通 过 这 次 的 学 习 不 仅 加 固 了 信 号 检 测 和 估 计 只 是 方 面 的 学 习 , 更 是 对 目 前 雷 达系 统 的 发 展 有 很 深 的 认 识 。 信 号 是 信 息 的 载 体 , 信 息 的 传 输 时 离 不 开 信 号 的 , 所 以 如 何用 信 号 更 好 更 及 时 的 传 输 有 效 信 息 是 当 前 最 为 关 注 的 问 题 , 也 是 科 学 界 一 直 研 究 有 问 题 。为 了 实 现 信 息 的 及 时 有 效 性 , 信 号 检 测 技 术 的 改 进 还 是 需 要 在 实 验 中 加 以 研 究 和 探 讨 的 。总 之 今 后 在 相 关 方 面 加 以 认 真 学 习 , 努 力 奋 斗 !

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