(57)【要約】【課題】３種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるレーダ装置を得る。【解決手段】４種類の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器１と、前記送信信号を分割する分配器２と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ３と、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナ４と、分配器２からの送信信号と受信アンテナ４からの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサ５と、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部６と、Ａ／Ｄ変換部６からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部７とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、
前記送信信号を分割する分配器と、
分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、
目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、
前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、
前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部と
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、ビート信号から目標の距離と速度を求める方法として、
ビート信号からピークビート周波数を算出し、
ピークビート周波数の数から目標数を推定し、
ピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求め、
前記評価値を昇順に並べ替え、推定した目標数分だけ最小値から評価値を検出し、
検出した所定数の評価値の各々に該当する距離と速度を求め、この結果を所定数の目標に対する距離と速度とする
ことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、検出する評価値の数をピークビート周波数の数に依らず、所定のしきい値を設け、前記所定のしきい値よりも小さい評価値を目標と認定する
ことを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求める
ことを特徴とする請求項２又は３記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数とする
ことを特徴とする請求項２、３又は４記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を０として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補とする
ことを特徴とする請求項５記載のレーダ装置。
【請求項７】
前記信号発生器と前記分配器の間に、前記送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項８】
前記信号発生器は、３種類以上の周波数変調のうち、１種類を無変調の連続波とする
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項９】
前記送信アンテナと前記受信アンテナが同一である
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項１０】
前記Ａ／Ｄ変換部と前記信号処理部の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項１１】
前記受信アンテナ、前記ミキサ及び前記Ａ／Ｄ変換部から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のＡ／Ｄ変換部と前記信号処理部の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれかに記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送信信号と受信信号を混合して得られるビート信号を用いて目標の計測を行うレーダ装置に関し、特に、３種類以上の周波数変調で得られたビート信号について最小二乗法を用いることで複数の目標の距離及び速度を計測するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、目標となる物体に関する計測を行う方法としては、自ら又は他者が電磁波、レーザ波、光波等を空間に放射し、目標で反射することで得られる反射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るレーダ装置や、目標自身の放射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るセンサ装置がある。
【０００３】
レーダ装置から目標までの距離や目標の速度を計測する場合のレーダ方式として、例えば、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダ、多周波ＣＷ（Continuous Wave）レーダ、ＦＭＣＷレーダや多周波ＣＷレーダで送信信号をパルス化した、ＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）レーダや多周波ＩＣＷ（Interrupted Continuous Wave）レーダなどの各種方式が提案されている。
【０００４】
例えば、ＦＭＣＷレーダでは、図９（例えば、非特許文献１参照）に示されているように、２種類の周波数変調を施した連続波の繰返信号を送信信号として送信し、固定目標からの反射信号を受信してその受信信号との混合によるビート信号を得ると、そのビート周波数のピークｆｒは、ｆｒ＝２Ｒ・Ｂ／Ｔ０・ｃで表すことができる。ここで、Ｒは目標の距離、Ｂは周波数変調帯域幅、Ｔ０は周波数変調の変調時間、ｃは光速である。
【０００５】
次に、目標が移動している場合には、ドップラ効果により送信信号と受信信号の周波数対時間の関係は図１０のようになる。ここで、ビート周波数のピークｆｂは、固定目標で得られるビート周波数ｆｒにドップラ周波数ｆｄが重畳され、その方向は変調サイクル毎に正負と交互に変わるため、ｆｂ（−）＝ｆｒ−ｆｄ及びｆｂ（＋）＝ｆｒ＋ｆｄの２式で表される。従って、変調の半サイクル毎にｆｂ（−）とｆｂ（＋）を別々に測定すれば、下記のようにｆｒとｆｄ、つまり目標の距離と速度をそれぞれ求めることができる。
ｆｒ＝｛ｆｂ（＋）＋ｆｂ（−）｝／２
ｆｄ＝｛ｆｂ（＋）−ｆｂ（−）｝／２
【０００６】
このように単一の目標であればその目標の距離と速度が一意に求められるが、複数の目標が存在する場合、図１１のように、各周波数変調で求められるピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）が複数現れることがあり、そのため、それぞれの目標の距離及び速度を求める処理において組み合わせ曖昧性が生じ、正しい距離と速度を求められるとは限らない。
【０００７】
解決手段の一例として、特許文献１に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）が複数現れた場合、それぞれ周波数を順番に並べ、小さいものからその差の小さいもの同士を組み合わせて処理を実施するといった方法がある。
【０００８】
また、解決手段の別の例として、特許文献２に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）が複数現れた場合、それぞれの周波数成分の振幅や位相を検出し比較することにより、同一目標からのピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）の組み合わせを特定できるという方法がある。
【０００９】
【特許文献１】特許第２７７８８６４号公報
【特許文献２】特許第３４９１４１８号公報
【非特許文献１】吉田孝監修、“レーダ技術”、社団法人  電子通信学会、昭和５９年１月２０日初版発行、第２８６頁−第２８９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１の方法は、目標同士の距離や速度の関係によって、必ずしもピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）が目標毎に順番に並んでいるとは限らず、順番が逆転した場合に正しい組み合わせができないという問題点があった。
【００１１】
また、特許文献２の方法は、複数の目標からの反射信号からピークビート周波数ｆｂ（＋）及びｆｂ（−）を求めたときにそれぞれの振幅差が小さいときや、干渉波や雑音の影響を受けたことにより位相の変化が大きい場合に間違った組み合わせをし、正しい組み合わせができないという問題点があった。
【００１２】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、３種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるレーダ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係るレーダ装置は、３種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、前記送信信号を分割する分配器と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部とを設けたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係るレーダ装置は、３種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ装置について図１から図５までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１６】
図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、３つ以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器１と、送信信号を分割する分配器２と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ３と、空間から受信波を取り込む受信アンテナ４と、送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサ５と、ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換しデジタルビート信号を生成するＡ／Ｄ変換部６と、ビート信号に基づいて目標までの距離及び目標の速度を求める信号処理部７とが設けられている。
【００１７】
図１には示されていないが、必要に応じて増幅器や、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路などの利得制御回路を用いてもよい。
【００１８】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【００１９】
図２において、信号処理部７は、デジタルビート信号をフーリエ変換することで求められるビート周波数のピーク値であるピークビート周波数を検出するピークビート周波数算出部７１と、ピークビート周波数の数から目標数を推定する目標数推定部７２と、周波数変調毎に求められたピークビート周波数同士の全ての組み合わせから候補となる距離及び速度を求め、組み合わせ候補値毎に最小二乗ペアリング処理を行い、評価値を算出する最小二乗組み合わせ処理部７３と、求めた各評価値のうち、推定目標数だけ最小値から昇順に抽出する最小評価値検出部７４と、最小評価値となった距離及び速度の組み合わせ候補から、距離及び速度を求める最適組み合わせ抽出部７５とが設けられている。
【００２０】
つぎに、この実施の形態１に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のＦＭＣＷ方式における４つの周波数変調を示す図である。また、図４は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。さらに、図５は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【００２２】
図３は、送信信号が４つの周波数変調を施された連続波の繰り返しとした場合について、送信信号の周波数変調の時間経過を模式的に表している。ここで、４つの周波数変調はそれぞれ、ＵＰ１チャープ、ＤＯＷＮ１チャープ、ＵＰ２チャープ、及びＤＯＷＮ２チャープと呼ぶ。ＵＰ１チャープとＤＯＷＮ１チャープ、及びＵＰ２チャープとＤＯＷＮ２チャープは互いに周波数変調が正負の関係になっている。Ｂ１はＵＰ１チャープとＤＯＷＮ１チャープの周波数帯域、Ｂ２はＵＰ２チャープとＤＯＷＮ２チャープの周波数帯域、Ｔ０は周波数変調時間である。
【００２３】
信号発生器１では、図３のとおりに周波数変調された連続波を生成し、分配器２を経由し、送信アンテナ３を介して送信波として空中に放射される。
【００２４】
目標からの反射波は、受信アンテナ４を介して受信波として受信され、ミキサ５に送られる。ミキサ５では、分配器２の出力である送信信号と混合されビート信号としてＡ／Ｄ変換部６に出力する。そして、ビート信号は、Ａ／Ｄ変換部６においてデジタル信号に変換される。
【００２５】
図１の構成では、ビート信号は実数であるが、受信アンテナ４で受信した高周波信号から周波数変換して、デジタルの同相（Ｉ）信号、直交（Ｑ）信号を得るような構成にしてもよい。その場合は、ビート信号は、実部を同相信号、虚部を直交信号とする複素デジタル信号として扱う。
【００２６】
また、送信アンテナ３と受信アンテナ４を同一とし、送信と受信経路を分けるサーキュレータを設けるような構成にしてもよい。さらに、受信アンテナ４は、アレーアンテナとして複数で構成してもよい。
【００２７】
以後、信号処理部７の動作について説明する。
【００２８】
ビート信号に対して、ピークビート周波数算出部７１でフーリエ変換によってピークビート周波数を算出する。各チャープにおけるこのときのピークビート周波数を次の式（１）のようにおく。
【００２９】
ＵＰ１チャープのｍ番目のピークビート周波数：ｆ１ｍ（ｍは１〜Ｍまで。Ｍはピークの数）
ＤＯＷＮ１チャープのｎ番目のピークビート周波数：ｆ２ｎ（ｎは１〜Ｎまで。Ｎはピークの数）
ＵＰ２チャープのｐ番目のピークビート周波数：ｆ３ｐ（ｐは１〜Ｐまで。Ｐはピークの数）
ＤＯＷＮ２チャープのｑ番目のピークビート周波数：ｆ４ｑ（ｑは１〜Ｑまで。Ｑはピークの数）
式（１）
【００３０】
目標数推定部７２では、ピークビート周波数算出部７１で求めた各チャープにおけるピークの数から目標数を推定する。ここでは、Ｍとする。なお、推定する目標数は、目標を多く抽出したい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最大値とすれば良く、また、抽出する目標を少なくしたい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最小値を取っても良い。
【００３１】
最小二乗組み合わせ処理部７３では、図４のように、各チャープにおけるピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求める。
【００３２】
いま、式（２）のとおり要素Ｊの集合があった場合、あるフィッティング関数ｆ（ｒｊ，ｖｊ）を考える。ここで、ｒは距離、ｖは速度を表す。なお、ｊは１〜Ｊの値をとる。
【００３３】
【数１】
2009288223.tif 000003
【００３４】
そのときの偏差を式（３）とすると、偏差二乗和Ｓは、式（４）で示すことができる。
【００３５】
【数２】
2009288223.tif 000004
【００３６】
この偏差二乗和Ｓを最小とする関数ｆ（ｒｊ，ｖｊ）が、最適なフィッティング関数となる。ここで、ｆ（ｒｊ，ｖｊ）は次の式（５）のように表され、ａｊ及びｂｊは、各チャープの帯域幅及び変調時間、送信周波数で決まる値である。
【００３７】
【数３】
2009288223.tif 000005
【００３８】
式（４）を最小とするフィッティング関数ｆ（ｒｊ，ｖｊ）を求めるため、最小二乗法を用いて解くことにより、式（６）のとおり距離ｒと速度ｖが求まる。この距離ｒと速度ｖを式（４）に代入した偏差二乗和Ｓが、観測値ｙに対する距離ｒと速度ｖの最適組み合わせによる値となり、これを評価値とする。
【００３９】
【数４】
2009288223.tif 000006
【００４０】
この実施の形態１においては、Ｊはチャープの数を表すため４であり、観測値ｙは［ｆ１ｍ  ｆ２ｎ  ｆ３ｐ  ｆ４ｑ］のことである。また、ａｊ及びｂｊは、式（７）で示すことができる。
【００４１】
【数５】
2009288223.tif 000007
【００４２】
これらを式（６）に代入して式（４）を求め、最終的に式（８）を求める。
【００４３】
【数６】
2009288223.tif 000008
【００４４】
最小評価値検出部７４では、最小二乗組み合わせ処理部７３で求めた評価値Ｓｍ，ｎ，ｐ，ｑを図５（ａ）から（ｂ）のように昇順に並べ替え、目標数推定部７２で推定した目標数分、最小値から評価値Ｓｋを検出する。ここで、添字ｋは１〜Ｋを取り、Ｋは目標数、つまりＭである。
【００４５】
最適組み合わせ抽出部７５では、検出したＭ個の最小評価値Ｓｋの各々に該当する距離ｒｋと速度ｖｋを式（８）から求め、この結果をＭ個の目標に対する距離と速度とする。
【００４６】
以上のように、本実施の形態１によれば、３つ以上の周波数変調を用いて最小二乗法を解くことにより、各周波数変調で検出したピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用しなくても正しい組み合わせを求めることができる。
【００４７】
なお、信号発生器１は、３種類以上の周波数変調のうち、１種類を無変調の連続波としてもよい。また、信号発生器１と分配器２の間に、送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器を設けてもよい。また、Ａ／Ｄ変換部６と信号処理部７の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部を設けてもよい。また、受信アンテナ４、ミキサ５、及びＡ／Ｄ変換部６から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のＡ／Ｄ変換部６と信号処理部７の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部を設けてもよい。この場合、信号処理部７のピークビート周波数算出部７１は、上記受信ビーム形成部の出力である受信ビーム毎にピークビート周波数を算出し、以後の処理も同様に行う。
【００４８】
さらに、信号処理部７の目標数推定部７２は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数としてもよい。また、目標数推定部７２は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を０として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補としてもよい。信号処理部７の最小二乗組み合わせ処理部７３は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求めてもよい。
【００４９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置について図６から図８までを参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【００５０】
図６において、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置は、信号発生器１と、分配器２と、送信アンテナ３と、受信アンテナ４と、ミキサ５と、Ａ／Ｄ変換部６と、信号処理部７Ａとが設けられている。
【００５１】
図７は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【００５２】
図７において、信号処理部７Ａは、ピークビート周波数算出部７１と、目標数推定部７２と、最小二乗組み合わせ処理部７３と、最小評価値検出部７４と、最適組み合わせ抽出部７５と、最小評価値に対してしきい値を設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定するしきい値処理部７６とが設けられている。
【００５３】
つぎに、この実施の形態２に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５４】
図８は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【００５５】
上記の実施の形態１では、最適組み合わせ抽出部７５で抽出した評価値が大きい場合には最適なフィッティングでないため目標と言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、この実施の形態２では、しきい値を設定して、しきい値よりも小さい評価値のみを目標と認定する。
【００５６】
すなわち、実施の形態１では、最適組み合わせ抽出部７５で検出したＭ個の最小評価値Ｓｋの各々に該当する距離ｒｋと速度ｖｋを式（８）から求め、この結果をＭ個の目標に対する距離と速度としたが、抽出した評価値の値が大きい場合には最適なフィッティングができていないため目標とは言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、図７のように、信号処理部７Ａの中に、しきい値処理部７６を設ける。
【００５７】
しきい値処理部７６では、図８のように最小評価値Ｓｋに対して新たにしきい値ＳＲを設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定し、その数をＬとする。Ｌ個の評価値それぞれに該当する式（８）から求めた距離ｒｋと速度ｖｋを、目標の距離及び速度とする。
【００５８】
なお、評価値の全てがしきい値よりも大きい場合には、目標は存在しない場合もありうる。
【００５９】
これにより、誤検出による偽像を抑圧することができ、上記の実施の形態１と同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のＦＭＣＷ方式における４つの周波数変調を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【図９】従来のＦＭＣＷ方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図１０】従来のＦＭＣＷ方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図１１】従来のＦＭＣＷ方式のレーダ装置による複数目標検出時の距離及び速度算出の曖昧性を説明した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  信号発生器、２  分配器、３  送信アンテナ、４  受信アンテナ、５  ミキサ、６  Ａ／Ｄ変換部、７  信号処理部、７Ａ  信号処理部、７１  ピークビート周波数算出部、７２  目標数推定部、７３  最小二乗組み合わせ処理部、７４  最小評価値検出部、７５  最適組み合わせ抽出部、７６  しきい値処理部。
【図１】
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【図２】
2009288223.tif 000010
【図３】
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【図４】
2009288223.tif 000012
【図５】
2009288223.tif 000013
【図６】
2009288223.tif 000014
【図７】
2009288223.tif 000015
【図８】
2009288223.tif 000016
【図９】
2009288223.tif 000017
【図１０】
2009288223.tif 000018
【図１１】
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