(57)【要約】  本発明の一実施形態に係る目標探知システム（１０）は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、送信波と受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部（９１〜９５）と、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、およびプロセスゲインをユーザが指定する指定部（１１）と、プロセスゲインについての関係式を満たすように、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された１つの値、および指定されたプロセスゲインに基づき、送信波の他の値を決定する送信波決定部（８１、８２）とを備える。
2017164365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数１】
2017164365.tif 000050
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定する送信波決定部と、  を備える目標探知システム。
【請求項２】
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせを予め記憶した記憶部を備え、  前記送信波決定部は、前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせが前記記憶部に記憶されていない場合、前記記憶部に記憶されている組み合わせから、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅を選択する、請求項１に記載の目標探知システム。
【請求項３】
前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の送信波を送信する送信部と、  前記送信波に基づく反射波を含む受信信号を受信する受信部とを備え、  前記信号処理部は、前記相互相関の値に基づき前記目標を検出する、請求項１または２に記載の目標探知システム。
【請求項４】
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、  前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数２】
2017164365.tif 000051
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、  を備える目標探知方法。
【請求項５】
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、  前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数３】
2017164365.tif 000052
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、  をコンピュータに実行させる目標探知プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、目標探知システム、方法及びプログラムに関し、特に電波、音波、光波などを送信し、目標からの反射波によって目標を探知する目標探知システム、方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】  電波、音波、光波などを送信し、目標からの反射波によって目標を探知するシステムとして、レーダ、ソーナー、ライダーなどが知られている。これらの探知システムは、変調した信号波を送信し、送信信号と同じ波形の信号（レプリカ信号）と受信信号との相互相関を算出する。そして、相互相関の強度の大小によって目標が存在するか否かの判断を下す。この相互相関は、パルス圧縮、レプリカ相関などと呼ばれる。レプリカ相関により、目標からの反射波とノイズとのパワー比、すなわちＳ／Ｎ比を向上させることができる。レプリカ相関によるプロセスゲインは、探知可能距離などの探知システムの性能を予測する上で重要である。【０００３】  探知システムが受信する信号には、目標からの反射波、ノイズに加えて、目標以外からの反射波も含まれている。目標以外からの反射波とは、レーダにおけるクラッタ、ソーナーにおける残響などを指す。レーダにおけるクラッタは、地面、海面などからの反射波であり、ソーナーにおける残響は、主に、海水自体による残響である体積残響、海面からの残響である海面残響、海底からの残響である海底残響を含む。探知システムの性能は、目標以外からの反射波が支配的な場合、目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比（Ｓ／Ｒ比）のプロセスゲインに左右される。【０００４】  特許文献１には、直線周波数変調（ＬＦＭ：Linear  Frequency  Modulation）信号を用いたアクティブソーナー装置が開示されている。特許文献１のアクティブソーナー装置は、ＬＦＭ信号を送信し、レプリカ相関処理により受信信号のＳ／Ｎ比を向上させている。また、特許文献２には、コヒーレント積分によりＳ／Ｎ比を改善する信号処理装置が開示されている。特許文献２の信号処理装置は、要求プロセスゲインに基づいてコヒーレント積分回数を決定することにより、要求プロセスゲインを満足させた積分出力を出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３２８６１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３３４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  特許文献１および特許文献２の発明は、レプリカ相関などの信号処理によりＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。しかしながら、クラッタ、残響といった目標以外からの反射波の影響が大きい場合には、信号処理により得られるプロセスゲインが劣化してしまう。目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比（Ｓ／Ｒ比）のプロセスゲインについては、具体的な関係式がこれまで知られていない。そのため、ユーザは、例えば画面表示された目標の輝度などを頼りに、良好なＳ／Ｒ比が得られる送信波形を試行錯誤しながら決定する必要があった。【０００７】  本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる目標探知システム、方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明に係る目標探知システムは、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数１】
2017164365.tif 000003
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定する送信波決定部とを備える。
【０００９】  本発明に係る目標探知方法は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数２】
2017164365.tif 000004
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップとを備える。
【００１０】  本発明に係る目標探知プログラムは、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数３】
2017164365.tif 000005
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップとをコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１１】  本発明によれば、目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比（Ｓ／Ｒ比）のプロセスゲインについての関係式に基づいて、適切な送信波形を決定することができる。これにより、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる目標探知システム、方法及びプログラムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る目標探知システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】レプリカ相関処理による目標検出の原理を示す概念図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る目標探知システムの処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る目標探知システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る目標探知システムの処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の各実施形態に係る目標探知システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】［第１実施形態］  図１は、本実施形態に係る目標探知システム１０の構成を示すブロック図である。目標探知システム１０は、入力装置１１、送信信号生成器１３、送信信号増幅器１４、送波器１５、受波器１６、受信信号増幅器１７、帯域濾波器１８、Ａ／Ｄ変換器１９、信号処理装置２０、表示装置２１を備えている。信号処理装置２０は、波形算出部８１、波形決定部８２、フーリエ変換部９１、レプリカ信号生成部９２、フーリエ変換部９３、乗算部９４、逆フーリエ変換部９５、目標検出部９６を有している。波形算出部８１、波形決定部８２は、送信波決定部と呼ばれることもある。フーリエ変換部９１、レプリカ信号生成部９２、フーリエ変換部９３、乗算部９４、逆フーリエ変換部９５は、信号処理部と呼ばれることもある。目標探知システム１０は、例えばアクティブソーナーであり、海中の目標１００に関する情報（存在、位置、特徴など）を得ることができる。目標探知システム１０は、パルス状のＬＦＭ信号を送信し、受信した反射波の信号対残響比であるＳ／Ｒ比（Signal  to  Reverberation  ratio）をレプリカ相関処理により向上させる。ここで、Ｓ／Ｒ比は、目標からの反射波と目標以外からの反射波のパワー比である。レプリカ相関処理は、送信波と受信した反射波との相互相関を算出する処理である。
【００１５】  入力装置１１は、例えばキーボード、マウスなどの入力用デバイスから構成されている。入力装置１１は指定部と呼ばれることもある。表示装置２１は液晶ディスプレイ、有機発光デバイス等から構成され、反射波から得られた画像を表示する他、送信信号および信号処理の指定を行うための入力画面を表示することができる。ユーザは、表示装置２１を見ながら入力装置１１を操作することにより、送信信号の指定、信号処理の各種設定を行うことができる。すなわち、ユーザは、ＬＦＭ信号のパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆのうちの少なくとも１つの値とプロセスゲインＰＧとを指定することができる。例えば、プロセスゲインＰＧは、表示装置２１上の入力画面において、ユーザがキーボードで数値を入力することにより指定され得る。レプリカ相関処理前後のＳ／Ｒ比、Ｓ／Ｒ比の対数、または、Ｓ／Ｒ比の対数に一定の数値を乗じた値をプロセスゲインＰＧとして指定しても良い。なお、レプリカ相関処理以外も含む様々な処理前後におけるＳ／Ｎ比をプロセスゲインと称することがあるが、本明細書では、レプリカ相関処理の前後におけるＳ／Ｒ比をプロセスゲインと称する。
【００１６】  ＬＦＭ信号におけるパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆは、表示装置２１の入力画面においてキーボードで数値を入力することにより、または、表示装置２１の波形図をマウスで編集することにより指定され得る。すなわち、ユーザは、送信波形を決定するためのパラメータとして、所望のプロセスゲインＰＧの値と、送信波のパルス長Ｔ０、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δｆのうちの１つの値とを入力装置１１において指定することができる。ここで、周波数振り幅Δｆは、パルス長Ｔ０に周波数変化率μを乗じた値として表され得る。
【００１７】  波形算出部８１は、送信波のパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆのうち指定された１つの値と、および指定されたプロセスゲインＰＧに基づき、送信波の他の値を決定する。例えば、波形算出部８１は、プロセスゲインＰＧとパルス長Ｔ０から、周波数変化率μまたは周波数振り幅Δｆを算出する。また、入力装置１１でパルス長Ｔ０に代えて周波数変化率μが指定されている場合には、波形算出部８１は、指定されたプロセスゲインＰＧと周波数変化率μから、パルス長Ｔ０または周波数振り幅Δｆを算出する。さらに、入力装置１１でパルス長Ｔ０に代えて周波数振り幅Δｆが指定されている場合には、波形算出部８１は、指定されたプロセスゲインＰＧと周波数振り幅Δｆから、パルス長Ｔ０または周波数変化率μを算出する。波形算出部８１で使用される関係式については、後述する。
【００１８】  波形決定部８２は、入力装置１１で指定された、または波形算出部８１で算出されたパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆに基づいて送信波形を決定し、送信波形のデータを送信信号生成器１３に出力する。送信波形のデータは、例えばパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆの組み合わせであり、送信信号生成器１３が送信信号を生成するために必要な情報を含んでいる。また、波形決定部８２は、送信信号生成器１３に出力した信号の波形データをレプリカ信号生成部９２に出力する。
【００１９】  送信信号生成器１３は、デジタル−アナログ変換回路を含み、任意の波形の送信信号を生成することが可能である。送信信号生成器１３は、波形決定部８２で決定された送信波形の送信信号を生成し、送信信号増幅器１４に出力する。送信信号増幅器１４は、入力された信号を電力増幅し、送波器１５に出力する。送波器１５は、セラミックからなる圧電振動子などから構成され、送信信号を音響信号（音波）に変換し、海中に放射する。送波器１５の指向性を鋭くするために、複数の送波器をアレイ状に配列しても良い。
【００２０】  受波器１６は、例えばセラミックからなる圧電振動子などから構成され、海中において音響信号（音波）を受信する。受波器１６が受信する音響信号には、目標１００からの反射波と目標１００以外からの反射波および雑音とが含まれる。受波器１６は、受信した音響信号を電気信号に変換し、受信信号増幅器１７に出力する。受波器１６の指向性を鋭くするために、複数の受波器をアレイ状に配列しても良い。受信信号増幅器１７は、入力された信号を増幅し、帯域濾波器１８に出力する。帯域濾波器１８は、バイドバスフィルタにより構成され、反射波が含まれる周波数帯域をフィルタリングし、Ａ／Ｄ変換器１９に出力する。Ａ／Ｄ変換器１９は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、受信信号として信号処理装置２０のフーリエ変換部９１に出力する。
【００２１】  フーリエ変換部９１は、受信信号をフーリエ変換し、乗算部９４に出力する。レプリカ信号生成部９２は、波形決定部８２からの波形データに基づいて、送信信号の標本となる信号（レプリカ信号）を生成し、フーリエ変換部９３に出力する。フーリエ変換部９３は、レプリカ信号をフーリエ変換し、乗算部９４に出力する。乗算部９４は、フーリエ変換された受信信号とレプリカ信号の複素共役を乗算し、逆フーリエ変換部９５に出力する。逆フーリエ変換部９５は、乗算部９４による積を逆フーリエ変換する。このようにして、送信波と受信した反射波との相互相関が算出される。
【００２２】  目標検出部９６は、算出された相互相関の強度（相関度）に基づいて目標を検出する。例えば、目標検出部９６は、相関度が所定の閾値より大きい場合に目標が存在すると判定し、反射波が到達した時刻、方向などから目標の位置を算出する。目標検出部９６は、検出結果を不図示の記憶装置に記憶させるとともに、表示装置２１に出力する。表示装置２１は、受波器１６を中心とした極座標で目標１００の位置を表示することができる。横軸を方位、縦軸を距離とした座標を用いて、目標１００の位置を表示してもよい。
【００２３】  図２は、本実施形態に係る信号処理装置２０の構成を示すブロック図である。信号処理装置２０は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータなどにより構成され、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）３１、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）３２、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）３３、入出力インターフェース３４を備えている。信号処理装置２０は、複数のコンピュータにより構成されてもよい。
【００２４】  ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３３から所定のプログラムを読み出し、実行することにより、信号処理装置２０が有する各手段の機能を実現する。また、ＣＰＵ３１は、処理で得られたデータをＲＯＭ３３に記憶させるとともに、入出力インターフェース３４を介して外部とデータの交換を行う。ＲＡＭ３２は、ＣＰＵ３１によって実行されるプログラムの作業用メモリとして使用され、処理中のデータ、ＲＯＭ３３から読み出されたデータなどを一時的に記憶する。ＲＯＭ３３は、送信波形を決定するためのプログラム、レプリカ相関処理を行うためのプログラム、目標検出処理を行うためのプログラムなど、信号処理装置２０が有する各手段の機能を実現するためのプログラムを格納する。
【００２５】  図３は、レプリカ相関処理による目標検出の原理を示す概念図である。レプリカ相関処理は、受信信号に対して時間をずらしながら受信信号とレプリカ信号との相関度を計算する信号処理である。
【００２６】  送信信号Ｆは、送波器１５から送信されるパルス長Ｔ０の信号波であり、パルス内で周波数が変化するように変調がなされている。受信信号Ｇは、受波器１６で受信される信号波であり、目標１００からの反射波であるエコー信号Ｅを含んでいる。レプリカ信号Ｒは、レプリカ信号生成部９２により生成される標本信号であり、送信信号Ｆと同じ波形を有している。なお、受信信号Ｇにはエコー信号Ｅ以外に、送信信号Ｆとは相関のないノイズ成分も含まれ得る。
【００２７】  図３に示すように、受信信号Ｇに対して時刻をずらしながらレプリカ信号Ｒとの相互相関（相関度）を求めることにより、２つの波形が最も類似した時刻ｔｅで相関度のピークｐが出現する。信号処理装置２０は時刻ｔｅにエコー信号Ｅが到達したと判断し、送信信号Ｆに対するエコー信号Ｅの遅延時間から目標１００までの距離を算出する。
【００２８】（プロセスゲインについての関係式）  次に、波形算出部８１で用いられる関係式について説明する。  プロセスゲインをＰＧとし、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］とした場合、以下の式が導かれることを発明者らは見出した。【数４】
2017164365.tif 000006
【００２９】  式（１）において、周波数変化率μは絶対値で表されるため、プロセスゲインＰＧは周波数変化率μの符号には依存しない。また、周波数変化率μは、周波数振り幅Δｆとパルス長Ｔ０を用いて、Δｆ＝Ｔ０・μと表されるため、式（１）は、以下の式（２）に書き換えられ得る。【数５】
2017164365.tif 000007
【００３０】  パルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆのうちの１つとプロセスゲインＰＧが指定された場合、波形算出部８１は、式（１）または式（２）に基づき、パルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆのうちの指定されていない残りの値を算出する。
【００３１】  次に、式（１）、式（２）が得られる理由について、ＬＦＭ信号を送信するソーナーの場合を例にとって説明する。なおソーナーの場合、目標１００以外からの反射波は残響が該当する。以下の説明において、入力信号ｘ（ｔ）は、Ａ／Ｄ変換器１９から信号処理装置２０に入力される信号に対応し、目標信号成分ｓ（ｔ）、残響成分ｒ（ｔ）は、それぞれ、目標１００からの反射波、目標１００以外からの反射波に対応している。
【００３２】（レプリカ相関の定義）  入力信号ｘ（ｔ）における目標信号成分をｓ（ｔ）残響成分をｒ（ｔ）とすると、入力信号は、ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｒ（ｔ）と表される。目標信号成分ｓ（ｔ）が点音源からのものとすると、レプリカ信号ｙ（ｔ）と目標信号成分ｓ（ｔ）は同じ形状となる。ここでは簡単のためその強度は等しいとし、レプリカ信号をｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）とする。
【００３３】  入力信号ｘ（ｔ）とレプリカ信号ｙ（ｔ）とのレプリカ相関は、次式で表される。【数６】
2017164365.tif 000008
右辺第１項は、レプリカ相関後の目標信号成分であり、次式で表される。
【数７】
2017164365.tif 000009
右辺第２項は、レプリカ相関後の残響成分であり、次式で表される。
【数８】
2017164365.tif 000010
【００３４】（残響モデル）  残響は、送信波形と強度は違うが同じ形状の信号成分の重ね合わせであるとして、次のようにモデリングする。【数９】
2017164365.tif 000011
【００３５】（レプリカ相関前の残響成分の分散）  レプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数１０】
2017164365.tif 000012
なお、ここで＜  ＞は、時間平均を意味する。
【００３６】  前記残響モデルからすると明らかに＜ｒ（ｔ）＞＝０であり、レプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数１１】
2017164365.tif 000013
【００３７】  残響が有限長パルスの重ね合わせであり、有限長であることから、時間平均については有限時間の積分をその時間長で割る。
【００３８】  関数ｆ（ｔ）の時間平均＜ｆ（ｔ）＞を次のように定義する。【数１２】
2017164365.tif 000014
ただし、Ｔ＞＞パルス長Ｔ０である。
【００３９】  すると、レプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数１３】
2017164365.tif 000015
【００４０】  −Ｔ／２≦τ≦Ｔ／２の積分範囲に完全に収まる残響のみ考慮するという条件を付ける場合、積分範囲を−∞≦τ≦∞としても積分結果は変わらない。すなわち、レプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数１４】
2017164365.tif 000016
【００４１】  ここで、ｔ’＝ｔ−ｔｎと変数変換すると、レプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数１５】
2017164365.tif 000017
【００４２】（レプリカ相関後の残響成分の分散）  レプリカ相関後の残響成分の分散Ｄは、次式で表される。【数１６】
2017164365.tif 000018
【００４３】  残響が有限長パルスの重ね合わせであり、有限長であることから、時間平均については前述と同様、有限時間の積分をその時間長で割る。
【００４４】  上式の右辺第２項に含まれるレプリカ相関後の残響成分の時間平均は、次式で表される。【数１７】
2017164365.tif 000019
【００４５】  相互相関の一般的な関係式として、以下の式が成り立つ。【数１８】
2017164365.tif 000020
【００４６】  この式を使うと、レプリカ相関後の残響成分の時間平均は、次式で表される。【数１９】
2017164365.tif 000021
【００４７】  前述の残響のモデルを適用すると、次のように置き換えられる。【数２０】
2017164365.tif 000022
【００４８】  積分区間内にパルス長Ｔ０が完全に収まるならば、上式の右辺における積分結果は０となる。【数２１】
2017164365.tif 000023
【００４９】  すなわち、次式が成り立つ。【数２２】
2017164365.tif 000024
【００５０】  よって、ノイズの場合、レプリカ相関前の場合と同様に、レプリカ相関後の残響成分の時間平均は０となる。【数２３】
2017164365.tif 000025
【００５１】  したがって、レプリカ相関後の残響成分の分散Ｄは、次式で表される。【数２４】
2017164365.tif 000026
【００５２】  次に、次式を求める。【数２５】
2017164365.tif 000027
【００５３】  前述の残響モデルを使うと、レプリカ相関後の残響成分は、次式で表される。【数２６】
2017164365.tif 000028
【００５４】  ｔ’＝ｔ−ｔｎとすると、レプリカ相関後の残響成分は、次のように変数変換される。【数２７】
2017164365.tif 000029
【００５５】  したがって、レプリカ相関後の残響成分の分散Ｄは、次式で表される。【数２８】
2017164365.tif 000030
【００５６】  −Ｔ／２≦τ≦Ｔ／２の積分範囲に完全に収まる残響のみ考慮するという条件を付ける場合、積分範囲を−∞≦τ≦∞としても積分結果は変わらない。すなわち、レプリカ相関後の残響成分の分散Ｄは、次式で表され、レプリカ相関の相互相関となる。【数２９】
2017164365.tif 000031
【００５７】（ＬＦＭ信号の場合）  ここまでは信号の波形に依存しない話であった。ここからはＬＦＭ信号の場合について説明する。
【００５８】  ＬＦＭ信号を次のように定義する。【数３０】
2017164365.tif 000032
【００５９】  すると、ＬＦＭ信号の自分自身とのレプリカ相関は次のようになる。【数３１】
2017164365.tif 000033
【００６０】  ｜μ｜が大きい状況では、τ＝０への集中の度合いが高く、τ＝０の近傍のみでレプリカ相関の特徴を見ることができる。この考えから｜τ｜＜＜Ｔ０の範囲のみ考えればよいと仮定すると、レプリカ相関は次のように近似できる。【数３２】
2017164365.tif 000034
【００６１】（ＬＦＭ信号の場合のレプリカ相関前の残響成分の分散）  近似によるレプリカ相関前の残響成分の分散ｄは、次式で表される。【数３３】
2017164365.tif 000035
【００６２】（ＬＦＭ信号の場合のレプリカ相関後の残響成分の分散）  上記近似を用いてレプリカ相関後の残響成分の分散Ｄを求める。【数３４】
2017164365.tif 000036
【００６３】  次の積分を計算する。【数３５】
2017164365.tif 000037
【００６４】  ここで、以下の公式を使う。【数３６】
2017164365.tif 000038
【００６５】  μ＜０の場合も考慮して変数変換すると、次式が得られる。【数３７】
2017164365.tif 000039
【００６６】  よって、上記積分結果は、次式で表される。【数３８】
2017164365.tif 000040
【００６７】  したがって、レプリカ相関後の残響成分の分散Ｄは、次式で表される。【数３９】
2017164365.tif 000041
【００６８】（プロセスゲイン）  残響成分の分散のレプリカ相関前後の比は、次式で表される。【数４０】
2017164365.tif 000042
【００６９】  したがって、残響成分の標準偏差のレプリカ相関前後の比は、次式で表される。【数４１】
2017164365.tif 000043
【００７０】  目標エコーの成分の比は、次式で表される。【数４２】
2017164365.tif 000044
【００７１】  信号対残響比（Ｓ／Ｒ比）は、目標エコーと残響成分の標準偏差との比だから、Ｓ／Ｒ比のプロセスゲインＰＧ、は次式で表される。【数４３】
2017164365.tif 000045
以上により、式（１）が得られる。
【００７２】  図４は、本実施形態に係る目標探知システム１０の処理を示すフローチャートである。まず、入力装置１１は、ユーザによって指定されたプロセスゲインＰＧを波形算出部８１に入力する（ステップＳ１０１）。さらに、入力装置１１は、ユーザによって指定されたパルス長Ｔ０または周波数変化率μを波形算出部８１に入力する（ステップＳ１０２）。これらステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理順を逆にしても良い。
【００７３】  次に、波形算出部８１及び波形決定部８２は、ユーザの指定に基づき送信波の波形を決定する（ステップＳ１０３）。具体的には、まず、波形算出部８１は、上述の式（１）を満たすように、パルス長Ｔ０または周波数変化率μのうちの指定されていない残りの値を算出する。すなわち、波形算出部８１は、ユーザによりパルス長Ｔ０が指定された場合には周波数変化率μを算出する。この場合、波形算出部８１は、周波数変化率μの代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δｆを算出してもよい。周波数振り幅Δｆを算出する際には、上述の式（２）を使用するとよい。一方、波形算出部８１は、ユーザにより周波数変化率μが指定された場合にはパルス長Ｔ０を算出する。この場合、波形算出部８１は、パルス長Ｔ０の代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δｆを算出してもよい。そして、波形決定部８２は、これらパルス長Ｔ０、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δｆを送信波形として決定する。
【００７４】  換言すれば、まず、入力装置１１において、所望のプロセスゲインＰＧの値がユーザにより指定され、さらに、信号波のパルス長Ｔ０、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δｆのうちの１つの値がユーザにより指定される。入力装置１１は、これらの値を波形算出部８１に入力する。そして、波形算出部８１は、入力された値を使用して、パルス長Ｔ０、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δｆのうちで指定されていない残りの値を算出する。なお、波形算出部８１は、パルス長Ｔ０、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δｆのうちで指定されていない２つの値のうち、少なくとも１つの値を算出すればよい。
【００７５】  次に、送信信号生成器１３は、決定された波形を有する送信信号を生成する（ステップＳ１０４）。例えば、送信信号生成器１３は、中心周波数が１０００［Ｈｚ］、パルス長Ｔ０が０．１［ｓ］、周波数変化率μが１０００［Ｈｚ／ｓ］、周波数振り幅Δｆが１００［Ｈｚ］のＬＦＭ信号を生成する。送信信号増幅器１４は、ＬＦＭ信号を電力増幅する。送波器１５は、ＬＦＭ信号を音波、電波などの信号波に変換し、送信波として送信する（ステップＳ１０５）。
【００７６】  送信された信号波は、目標１００及び目標１００以外（海面、地面など）で反射される。受波器１６は、これらの反射波を受信し、音波、電波などから電気信号に変換する（ステップＳ１０６）。受信信号増幅器１７は、受信した信号を電力増幅し、帯域濾波器１８は、目標１００からの反射波が含まれる周波数帯域をフィルタリングする。Ａ／Ｄ変換器１９は、受信信号をサンプリングし、信号処理装置２０が処理可能なデジタル信号に変換する（ステップＳ１０７）。
【００７７】  次に、信号処理装置２０は、レプリカ相関処理を実行する（ステップＳ１０８）。すなわち、信号処理装置２０は、フーリエ変換部９１、フーリエ変換部９３、乗算部９４、逆フーリエ変換部９５を用いて、レプリカ信号生成部９２が生成したレプリカ信号と受信信号との相関度を算出する。そして、信号処理装置２０は、相関度のピークｐに基づいて目標の有無を検出する（ステップＳ１０９）。例えば、目標検出部９６は、相関度のピークｐが所定の閾値よりも大きい場合に目標１００が存在すると判定する。そして、目標検出部９６は、相関度のピークｐが観測された時刻ｔｅから目標１００の位置を算出し、表示装置２１に処理結果を表示させる。
【００７８】  本実施形態によれば、プロセスゲインについての関係式に基づいて、ユーザにより指定されたプロセスゲインを満たす送信波形を決定することができる。したがって、これまで実験的、経験的に決定していた送信波形を定量的に決定することが可能となり、探知システムの性能を十分に発揮させることができる。
【００７９】  従来、所望のプロセスゲインを得るために、送信波のパルス長、周波数変化率を設定しようと試行錯誤していた。しかしながら、実際には、相反する多くの制約条件が送信波形に関して存在する。例えば、信号生成器が出力可能なパルス長、周波数変化率には制限があり、さらに、送受波器の感度、帯域幅にも制限がある。
【００８０】  例えば、送信波のパルス長を長くした場合には、送信信号増幅器に対する電気的な負荷が増加し、発熱などの問題が生じ得る。また、パルス長を長くした場合、パルス長の半分が距離分解能となるため、距離分解能が悪化してしまう。パルス長が長くなれば反射波の受信期間も長くなるため、送信波を送信できない期間（ブラインド期間）も長くなる。加えて、パルス長を長くした場合、偶発的なノイズが信号に混入しやすくなるという弊害も生じる。
【００８１】  また、周波数変化率を大きくし過ぎると、以下の問題も生じ得る。すなわち、動作周波数が送受波器の圧電セラミックの共振周波数、Ｑ値からずれてしまい、所望の利得が得られなくなることも考えられる。急激な周波数変化は高周波ノイズを生じさせることもある。また、レプリカ相関処理において、フーリエ変換で扱う周波数領域成分（ビン）が増加するため、計算資源に高い演算能力が要求されるなどの問題も生じ得る。
【００８２】  本実施形態によれば、回路および信号処理の様々な制約下においても、所望のプロセスゲインを得るために、最適な送信波形を容易に決定することが可能となる。また、指定したプロセスゲインから探知システムの探知可能距離を予測することが容易になるため、探知システムの送波器、受波器の配置を適切に決定することが可能となる。
【００８３】［第２実施形態］  続いて、本発明の第２実施形態に係る目標探知システムを説明する。本実施形態に係る目標探知システムは、第１実施形態に係る目標探知システムと同様に構成されているため、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８４】  図５は、本実施形態に係る目標探知システム１０の構成を示すブロック図である。目標探知システム１０は、入力装置１１、送信信号生成器１３、送信信号増幅器１４、送波器１５、受波器１６、受信信号増幅器１７、帯域濾波器１８、Ａ／Ｄ変換器１９、信号処理装置２０、表示装置２１に加えて、記憶装置１２を備えている。
【００８５】  記憶装置１２は、例えばフラッシュメモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置、または光ディスク、メモリカード等の可搬記憶媒体である。記憶装置１２には、目標探知システム１０が送信可能なパルス長Ｔ０、周波数変化率μおよび周波数振り幅Δｆの組み合わせがあらかじめ記憶されている。例えば、これらの組み合わせは、送信信号生成器１３で生成可能な送信波形であり、送波器１５、受波器１６の感度及び帯域幅、信号処理装置２０の演算能力、目標探知システム１０の各回路に対する電気的な負担などの様々な制約を考慮して設定される。記憶装置１２には、さらに、組み合わせを選択するための基準、目標検出の処理結果などが記憶される。
【００８６】  波形決定部８２は、記憶装置１２に記憶されている複数の組み合わせの中から、１つの適切な組み合わせを選択し、送信信号生成器１３に出力することができる。この場合、組み合わせを選択するための基準をあらかじめ定義し、記憶装置１２などに記憶させておく。この選択基準は、入力装置１１においてユーザが指定することができる。
【００８７】  例えば１つの選択基準として、波形決定部８２は、波形算出部８１から入力されたパルス長Ｔ０および周波数変化率μと、記憶装置１２に記憶されているパルス長Ｔ０および周波数変化率μとのそれぞれの差の２乗和が最小となる組み合わせを選択する。差の２乗和を計算する組み合わせは、パルス長Ｔ０および周波数振り幅Δｆ、または周波数変化率μおよび周波数振り幅Δｆであっても良い。
【００８８】  また別の選択基準として、波形決定部８２は、例えばパルス長Ｔ０がユーザにより指定されている場合、指定されたパルス長Ｔ０を含む組み合わせの中から、式（１）により算出されるプロセスゲインＰＧが最大となる組み合わせを選択する。同様に、周波数変化率μまたは周波数振り幅Δｆが指定されている場合、波形決定部８２は、指定された周波数変化率μまたは周波数振り幅Δｆを含む組み合わせの中から、式（１）により算出されるプロセスゲインＰＧが最大となるような組み合わせを選択する。
【００８９】  図６は、本実施形態に係る目標探知システム１０の処理を示すフローチャートである。まず、入力装置１１は、ユーザによって指定されたプロセスゲインＰＧを波形算出部８１に入力する（ステップＳ２０１）。さらに、入力装置１１は、パルス長Ｔ０または周波数変化率μの値をユーザから取得する。具体的には、入力装置１１は、ユーザによって指定されたパルス長Ｔ０または周波数変化率μを波形算出部８１に入力する（ステップＳ２０２）。これらのステップＳ２０１、Ｓ２０２の処理順を逆にしても良い。
【００９０】  次に、波形算出部８１および波形決定部８２は、ユーザの指定に基づき送信波形を決定する。具体的には、まず、波形算出部８１は、上述の式（１）を満たすように、パルス長Ｔ０または周波数変化率μのうちの指定されていない残りの値を算出する（ステップＳ２０３）。すなわち、波形算出部８１は、ユーザによりパルス長Ｔ０が指定された場合には周波数変化率μを算出する。この場合、波形算出部８１は、周波数変化率μの代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δｆを算出してもよい。周波数振り幅Δｆを算出する際には、上述の式（２）を使用するとよい。一方、波形算出部８１は、ユーザにより周波数変化率μが指定された場合にはパルス長Ｔ０を算出する。この場合、波形算出部８１は、パルス長Ｔ０の代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δｆを算出してもよい。
【００９１】  続いて、波形決定部８２は、記憶装置１２に記憶されている所定の組み合わせの中から、パルス長Ｔ０および周波数変化率μの組み合わせを選択する（ステップＳ２０４）。具体的には、波形決定部８２は、波形算出部８１から入力されたパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆの組み合わせを記憶装置１２において検索する。そして、波形決定部８２は、その組み合わせが記憶装置１２に存在しない場合、選択基準に基づいて適切な組み合わせを選択し、送信波形として決定する。波形決定部８２は、波形算出部８１から入力された組み合わせが、パルス長Ｔ０および周波数変化率μ、パルス長Ｔ０および周波数振り幅Δｆ、または周波数変化率μおよび周波数振り幅Δｆの組み合わせであっても、同様の処理を行う。以降のステップＳ２０５〜Ｓ２１０は、図４のステップＳ１０４〜Ｓ１０９と同様の処理であるため、説明を省略する。
【００９２】  本実施形態によれば、入力装置１１で指定され、波形算出部８１により算出されたパルス長Ｔ０、周波数変化率μ、周波数振り幅Δｆの組み合わせが、実際には送信不能な波形であったとしても、該組み合わせに類似する送信可能な波形を選択することができる。また、送信波形を選択する際に、最適なプロセスゲインを得ることのできる送信波形を選択することができる。
【００９３】［その他の実施形態］  図７は、上述の各実施形態に係る目標探知システム１０の概略構成図である。図７には、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる機能を実現するための構成例が示されている。目標探知システム１０は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、送信波と受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部９１〜９５と、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、およびプロセスゲインをユーザが指定する指定部１１と、プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数４４】
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を満たすように、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された１つの値、および指定されたプロセスゲインに基づき、送信波の他の値を決定する送信波決定部８１、８２とを備える。
【００９４】  本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上述の実施形態における入力装置１１は、プロセスゲインをユーザが指定するように構成されているが、目標探知を行う探査領域をユーザが指定するように構成されてもよい。例えば、所望のプロセスゲインの値を探査領域までの距離と関連づけて定義しておくことで、探査領域の指定に応じてプロセスゲインの値を読み出すことができる。所望のプロセスゲインの値は、送波器の送波レベル、伝搬損失、受波器のゲインなどに基づいて予め定義しておくことが可能である。
【００９５】  上述の実施形態の機能を実現するように該実施形態の構成を動作させるプログラム（より具体的には、図４、６に示す方法をコンピュータに実行させるプログラム）を記録媒体に記録させ、該記録媒体に記録されたプログラムをコードとして読み出し、コンピュータにおいて実行する処理方法も各実施形態の範疇に含まれる。すなわち、コンピュータ読取可能な記録媒体も各実施形態の範囲に含まれる。また、上述のプログラムが記録された記録媒体はもちろん、そのプログラム自体も各実施形態に含まれる。
【００９６】  該記録媒体としては例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性メモリカード、ＲＯＭを用いることができる。また該記録媒体に記録されたプログラム単体で処理を実行しているものに限らず、他のソフトウェア、拡張ボードの機能と共同して、ＯＳ上で動作して処理を実行するものも各実施形態の範疇に含まれる。
【００９７】  上述の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００９８】（付記１）  直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数４５】
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を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定する送信波決定部と、  を備える目標探知システム。
【００９９】（付記２）  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせを予め記憶した記憶部を備え、  前記送信波決定部は、前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせが前記記憶部に記憶されていない場合、前記記憶部に記憶されている組み合わせから、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅を選択する、付記１に記載の目標探知システム。
【０１００】（付記３）  前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の送信波を送信する送信部と、  前記送信波に基づく反射波を含む受信信号を受信する受信部とを備え、  前記信号処理部は、前記相互相関の値に基づき前記目標を検出する、付記１または２に記載の目標探知システム。
【０１０１】（付記４）  直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、  前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数４６】
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を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、  を備える目標探知方法。
【０１０２】（付記５）  直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、  前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、  前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの１つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、  プロセスゲインをＰＧ、パルス長をＴ０［秒］、周波数変化率をμ［Ｈｚ／秒］、周波数振り幅をΔｆ＝Ｔ０・μ［Ｈｚ］としたとき、【数４７】
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を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記１つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、  をコンピュータに実行させる目標探知プログラム。
【０１０３】  以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【０１０４】  この出願は、２０１６年３月２４日に出願された日本出願特願２０１６−０５９６２４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１０５】１０  目標探知システム１１  入力装置（指定部）１２  記憶装置１３  送信信号生成器１４  送信信号増幅器１５  送波器１６  受波器１７  受信信号増幅器１８  帯域濾波器１９  Ａ／Ｄ変換器２０  信号処理装置２１  表示装置８１  波形算出部（送信波決定部）８２  波形決定部（送信波決定部）９１  フーリエ変換部（信号処理部）９２  レプリカ信号生成部（信号処理部）９３  フーリエ変換部（信号処理部）９４  乗算部（信号処理部）９５  逆フーリエ変換部（信号処理部）９６  目標検出部１００  目標
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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