CN112164287A - 动目标显示原理实验***、实验方法及动目标显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验仿真技术领域，公开了一种动目标显示原理实验***、实验方法及动目标显示设备，其显控与处理***进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；实验箱体进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验；换能器单元进行电声转换，发射时将电信号转换成声信号，接收时将声信号转换成电信号；旋转电机带动换能器做扇形扫描；目标轨道带动目标运动，模拟运动目标。本发明可开展***时钟设计、收发转换、时间增益控制等3项模块级验证性实验和脉冲测距、DDS、正交解调、脉冲压缩、动目标显示等5项自主创新性实验。
Description
技术领域
本发明属于实验技术领域，尤其涉及一种动目标显示原理实验***、实验方法及动目标显示设备。
背景技术
目前，动目标显示是一种探测技术，在经济社会和军事信息领域应用广泛。在高校电子信息类专业课程教学中，动目标显示原理已经成为探测原理类课程的核心基础的教学内容。其理论体系抽象、技术要素庞杂、专业性和学术性都很强，长期以来，该部分教学内容的配套实验大多采用虚拟仿真的方式，实物实验手段受限，严重影响教学效果提升。
如果将现有的动目标显示搬移至实验室，不但大型实验场地造价昂贵，而且动目标显示设备价格昂贵。因此现有的动目标显示设备搬移至实验室进行实验，难度较大，成本较高。
本发明对复杂的动目标显示设备进行简化设计，不但能够反应动目标显示的原理，还大大降低了成本和使用场地条件。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动目标显示原理实验***、实验方法及动目标显示设备。
本发明是这样实现的，一种动目标显示原理实验***，所述动目标显示原理实验***包括：
显控与处理***、实验箱体、换能器单元、旋转电机及目标轨道；
显控与处理***，用于进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；同时用于进行人机交互；
实验箱体，包括主控实验模块以及自主实验模块；用于进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验；
换能器单元，用于进行电声转换；即发射时，将电信号转换成超声波信号；接收时，将超声波信号转换成电信号；
旋转电机，带动换能器做扇形扫描；
目标轨道，带动目标运动，模拟运动目标。
进一步，所述显控与处理***包括：
信号发射控制模块，用于进行信号发射控制；
信号记录控制模块，用于进行回波信号记录控制；
数据处理模块，用于对记录的数据进行信号处理；
显示模块，用于显示采集的原始数据和处理后的结果。
进一步，所述实验箱体包括：
主控实验模块，包括主控FPGA单元、ADC单元、主控DDS单元、TVG单元、接收单元、发射单元、检波整形单元和主控LED显示单元；用于利用显示控制软件进行参数设置、指令控制、数据采集，以及实验波形和数据显示；
自主实验模块，包括FPGA单元、DDS单元1、DDS单元2、数码管显示单元和LED显示单元；用于进行自主编程以及自主实验。
进一步，所述主控实验模块包括：
主控FPGA单元，用于产生发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号；用于将发射门控信号引出至学生自主实验模块FPGA单元，进行信号互联；同时用于与网络接口芯片进行以太网通信，接收PC机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；用于产生数字发射信号、接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；产生ADC的控制信号，通过ADC打算采集回波信号；产生主控DDS单元的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过主控DDS单元输出指定参数的波形信号；产生TVG数据和控制信号，通过TVG单元输出可变增益放大器的增益控制信号；产生轨道电机及旋转电机控制信号，控制轨道电机和旋转电机运动；
ADC单元，用于进行回波信号的采集；
主控DDS单元，用于生成发射信号；
发射单元，用于采用开关形式驱动MOS管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射；
TVG单元，包括DAC、参考源和信号隔离电路；用于产生随距离变化的增益控制信号；
接收单元，包括前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器；用于对接收的回波进行放大和滤波；
检波整形单元，用于调理后信号的包络检波，并通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，同时通过光电隔离将其输出至FPGA；
主控LED显示单元，包括实验状态指示灯、电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯；用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述动目标显示原理实验***的动目标显示实验方法，所述动目标显示实验方法包括：
将数字发射信号输入至发射单元，并由所述发射单元对接收的所述数字发射信号放大后驱动换能器，产生发射声波；
将接收机放大滤波后的回波信号输入至AD采集单元；
将一个目标放置在轨道上，将另一个目标放置在轨道的旁边，并使目标位于换能器的正前方；
检测***供电是否正常；若正常，则进行***参数设定；
移动电机，调整目标在轨道的一个端部向另一端运动；并利用显控与处理***进行信号发射以及接收回波信号的数据采集；
在数据采集的同时，进行对应实验内容的信号处理，并进行采集原始数据和处理结果的显示。
当处理完成后，显控与处理***进行结果显示。
本发明的另一目的在于提供一种动目标显示设备，所述动目标显示设备用于实现所述的动目标显示实验控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明对动目标显示复杂庞大的装备***进行了简化设计，保留其理论体系，突出其基本原理和核心技术，要素齐全，开放自主，以超声波为信号载体，搭建起抽象晦涩的理论知识与直观可体验的物理现象之间的桥梁。既可开展***时钟设计、收发转换、时间增益控制等3项模块级验证性实验，又可通过模块间柔性互联构成微***，开展脉冲测距、DDS、正交解调、脉冲压缩、动目标显示等5项自主创新性实验，实现了课程理论教学主体知识点和关键技术的全覆盖。
本发明具备以下优点：
(1)具备模拟雷达/声纳信号发射功能。可产生相参电子探测***的各种典型信号。利用发射模块进行功率放大，驱动换能器发射。
(2)具备模拟雷达/声纳信号接收功能。利用TVG模块和接收模块对换能器接收的信号进行信号调理。具备接收回波信号的检波整形输出功能。ADC模块采集调理后的接收信号，并传输至显控与处理单元。
(3)具备模拟雷达/声纳信号处理功能。显控与处理单元可模拟正交解调、脉冲压缩、动目标显示成像等雷达/声纳典型信号处理算法。
(4)具备模拟雷达/声纳显示控制功能。显控与处理单元可模拟雷达/声纳的信号参数设置、***控制、原始回波显示、处理结果显示等功能。
(5)具备模拟目标运动功能。核心主控单元通过驱动器控制轨道，带动目标运动。
(6)具备开放自主编程实践功能。学生可VHDL编程自主开发学生区FPGA，设计实现数字式脉冲测距；可MATLAB编程对实验数据进行处理，完成DDS、正交解调、脉冲压缩及动目标显示等处理。
与动目标显示仿真实验相比，本发明不但能够让学生了解声纳接收机、发射机、显控***和信号处理***的基本结构和实现方式，还能够让学生掌握动目标显示的基本原理和电子探测原理的常用手段。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的动目标显示原理实验***原理图。
图2是本发明实施例提供的动目标显示原理实验***结构示意图；
图中：1、显控与处理***；2、实验箱体；3、换能器单元；4、旋转电机；5、目标轨道。
图3是本发明实施例提供的核心主控单元的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的ADC模块与主控FPGA之间的连接关系示意图。
图5是本发明实施例提供的DDS模块与主控FPGA之间的连接关系示意图。
图6是本发明实施例提供的TVG模块的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的接收模块示意图。
图8是本发明实施例提供的检波整形模块原理图。
图9是本发明实施例提供的动目标显示实验控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动目标显示原理实验***、实验方法及动目标显示设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的动目标显示原理实验***包括：
显控与处理***1、实验箱体2、换能器单元3、旋转电机4及目标轨道5；
显控与处理***1，用于进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；同时用于进行人机交互；
实验箱体2，包括主控实验模块以及自主实验模块；用于进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验；
换能器单元3，用于利用超声波作为媒介进行电声转换；即发射时，将电信号转换成超声信号；接收时，将超声信号转换成电信号；
目标轨道4，用于牵引目标运动，模拟动目标。
本发明实施例提供的显控与处理***1包括：
信号发射控制模块，用于进行信号发射控制；
信号记录控制模块，用于进行回波信号记录控制；
数据处理模块，用于对记录的数据进行信号处理；
显示模块，用于显示采集的原始数据和处理后的结果；
数据测量模块，用于对目标位置进行测量。
本发明实施例提供的实验箱体2包括：
主控实验模块，包括主控FPGA单元、ADC单元、主控DDS单元、TVG单元、接收单元、发射单元、检波整形单元和主控LED显示单元；用于利用显示控制软件进行参数设置、指令控制、数据采集，以及实验波形和数据显示；
自主实验模块，包括FPGA单元、DDS单元1、DDS单元2、数码管显示单元和LED显示单元；用于进行自主编程以及自主实验。
如图3至图8所示，本发明实施例提供的主控实验模块包括：
主控FPGA单元，用于产生发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号；用于将发射门控信号引出至学生自主实验模块FPGA单元，进行信号互联；同时哈用于与网络接口芯片进行以太网通信，接收PC机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；用于产生数字发射信号、接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；产生ADC丹玉的控制信号，通过ADC打算采集回波信号；产生主控DDS单元的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过主控DDS单元输出指定参数的波形信号；产生TVG数据和控制信号，通过TVG单元输出可变增益放大器的增益控制信号；产生轨道电机及旋转电机控制信号，控制轨道电机和旋转电机运动；
ADC单元，用于进行回波信号的采集；
主控DDS单元，用于生成发射信号；
发射单元，用于采用开关形式驱动MOS管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射；
TVG单元，包括DAC、参考源和信号隔离电路；用于产生随距离变化的增益控制信号；
接收单元，包括前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器；用于对接收的回波践行放大和滤波；
检波整形单元，用于调理后信号的包络检波，并通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，同时通过光电隔离将其输出至FPGA；
主控LED显示单元，包括实验状态指示灯、电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯；用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验。
本发明实施例提供的动目标显示实验方法包括：
将数字发射信号输入至发射单元，并由所述发射单元对接收的所述数字发射信号放大后驱动换能器，产生发射声波；
将接收机放大滤波后的回波信号输入至AD采集单元；
将一个目标放置在轨道上，将另一个目标放置在轨道的旁边，并使目标位于换能器的正前方；
检测***供电是否正常；若正常，则进行***参数设定；
移动电机，调整目标在轨道的一个端部向另一端运动；并利用显控与处理***进行信号发射以及接收回波信号的数据采集；
在数据采集的同时，进行对应实验内容的信号处理，并进行采集原始数据和处理结果的显示。
具体地，如图9所示，本发明实施例提供的动目标显示实验方法包括以下步骤：
S101，将实验箱体的主控FPGA单元输出的数字发射信号与发射单元的数字发射信号连接，将主控FPGA单元产生的信号输入至发射单元，并由发射单元功能放大后驱动换能器，产生发射声波；
S102，将接收机输出信号与AD采集信号连接，将放大滤波后的接收回波信号输入至AD采集单元，将一个目标放置在轨道上，将另一个目标放置在轨道的旁边，并使目标位于换能器的正前方；
S103，接通实验箱体电源，检测***供电是否正常；若正常，则进行***参数设定；
S104，旋转电机带动换能器做扇形扫描；目标轨道，带动在轨道的一个端部向另一端运动；并利用显控与处理***进行信号发射以及动目标显示的数据采集，同时进行数据采集的进度的显示；
S105，当数据采集进度到达100％时，显控与处理***控制电机将、信号发射和数据采集自动停止；对采集的数据进行动目标显示处理；
S106，当处理完成后，显控与处理***进行成像结果显示。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
动目标显示原理实验***由显控与处理单元、实验箱体、换能器单元、旋转电机及目标轨道四部分组成。***结构框图如图1所示。
(一)显控与处理单元
显控与处理单元是实验***的核心，完成参数设置、指令控制、数据采集和信号处理，最终完成实验波形和数据的显示，实现人机对话。显控与处理单元界面分左右两个部分，左半部分为原始回波显示窗口，右侧为动目标显示结果显示窗口。
单击“开始播放”按钮时，实验***开始向目标发射信号，同时开始记录回波信号，并在原始图像窗口显示数据记录的进度。记录进度达到100％后，实验***将停止数据记录，同时停止信号发射、停止轨道电机的运动。
单击“暂停播放”按钮时，将暂停数据记录。
单击“数据处理”或在动目标显示图像界面上单击鼠标右键时，将对记录的数据进行动目标显示处理，并将成像结果显示至界面右侧的动目标显示图像窗口。
单击“数据测量”按钮时，可对成像结果中的目标位置进行测量。
(二)实验箱体
实验箱体内安装有核心主控单元和驱动器，分为主控实验区和自主实验区两个区。在主控实验区，学员通过显示控制软件可参数设置、指令控制、数据采集，以及显示实验波形和数据；在自主实验区，学生可自主编程，完成自主实验。核心主控单元的结构框图如图3所示，其中灰色的区域为学生自主实验区的相关模块，其他均为主控实验区模块。
主控实验区由FPGA模块、ADC模块、DDS模块、TVG模块、接收模块、发射模块、检波整形模块和LED显示模块等组成，虚线的信号需要学员手动进行连接。学生自主实验区由学生区FPGA模块、DDS模块1、DDS模块2、数码管显示模块和LED显示模块组成。
1、主控FPGA模块
主控FPGA模块中的对外部开放的管脚主要包括***时钟、发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号。发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号由FPGA产生，并经过驱动芯片驱动。同时，主控FPGA模块还将发射门控信号引出至学生自主实验区FPGA模块，实现两者之间信号互联。
主控FPGA模块主要完成以下功能：
(1)与网络接口芯片完成以太网通信功能，接收PC机发来的控制指令和参数，发送获得的数据；
(2)产生数字发射信号；
(3)接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；
(4)产生ADC模块的控制信号，通过ADC模块采集回波信号；
(5)产生DDS模块的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过DDS模块输出指定参数的波形信号；
(6)产生TVG数据和控制信号，通过TVG模块输出可变增益放大器的增益控制信号；
(7)产生轨道电机及旋转电机控制信号，控制轨道电机和旋转电机运动；
2、ADC模块
ADC模块由主控FPGA模块控制，完成回波信号的采集，功能框图如图4所示：
3、DDS模块
DDS模块由主控FPGA模块控制，生成发射信号。DDS模块与主控FPGA之间的连接关系，如图5所示：
4、发射模块
发射模块采用开关形式驱动MOS管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射。
5、TVG模块
TVG模块用于产生随距离变化的增益控制信号。TVG模块由DAC、参考源和信号隔离电路组成。主控FPGA模块根据TVG参数，生成TVG控制数据，控制DAC产生增益控制电压，经信号隔离电路输出至接收模块中的可变增益放大器，实现TVG控制。TVG模块的结构框图如图6所示。
6、接收模块
接收模块完成对接收的回波放大和滤波的任务。接收模块主要由四部分组成：前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器。接收模块连接关系如图7所示。
7、检波整形模块
检波整形模块用于调理后信号的包络检波，然后通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，后通过光电隔离将其输出至FPGA。其原理框图如图8所示。
检波电路把调理后的模拟信号进行包络检测，并将检波后的信号进行幅度放大。检波输出信号经过施密特整形器后，驱动高速光耦完成光电隔离，将包络信息输出至主控FPGA模块。光耦用于模拟地与数字地的隔离，减少数字信号对模拟部分的干扰。由于学生自主实验区FPGA也需要该包络信号，光耦输出信号向主控FPGA和学生区FPGA输出。
8、LED显示模块
主控实验区的LED显示模块用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验，实验状态指示灯，其包含电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯。
当实验箱电源正常，则电源状态指示灯常亮。
当电脑主机正在通过网络与实验箱正常交换数据，则通信状态指示灯为呼吸状态，否则指示灯为长灭状态。
当电脑主机通过网络进行相关配置并启动实验时，则相应的实验项目指示灯则进行周期性的亮灭指示。
(三)旋转电机
旋转电机带动换能器做做扇形扫描。
(四)换能器单元
实验***以超声波为媒介，换能器单元完成电声转换。发射时，换能器单元将电信号转换成超声信号；接收时，换能器单元将超声信号转换成电信号。
(五)目标轨道
目标轨道牵引目标运动，模拟动目标。
动目标显示原理实验步骤如下：
(1)将主控FPGA输出的“数字发射信号”与发射模块的数字发射信号连接，将FPGA产生的信号输入至发射模块，并由发射模块功能放大后驱动换能器，产生发射声波；将“接收机输出信号”与“AD采集信号”连接，将放大滤波后的接收回波信号输入至AD采集模块；
(2)将一个目标放置在轨道上，将另一个目标放置在轨道的旁边，并使目标位于换能器的正前方。
(3)打开实验箱电源(电源开关位于实验箱后部)，检测***供电是否正常，若正常则电源指示灯会常亮。
(4)打开***控制软件，选择“动目标显示原理实验”；
(5)设定好***参数(可按照默认参数)，依次单击“连接服务”。
(6)单击“电机左移”或“电机右移”，调整目标在轨道的一个端部向另一端运动时，点击“开始播放”，此时开始动目标显示的数据采集，同时在左侧界面上将显示数据采集的进度，当数据采集进度到达100％时，电机将自动停止，同时信号发射和数据采集也自动停止；
(7)当采集完成时，单击“数据处理”，开始进行动目标显示处理，当处理完成后，成像结果将在右侧界面上显示。
上述步骤完成后，生成的动目标显示结果与现有的仿真成像结果相比，能够更加真实的反应实际情况，而且还能够培养学生的理论指导实践能力。
本发明实施例提供的实物图照片如图10-14所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动目标显示原理实验***，其特征在于，所述动目标显示原理实验***包括：
换能器单元，用于电声转换；即发射时，将电信号转换成超声波信号；接收时，将超声波信号转换成电信号；
旋转电机，带动换能器做扇形扫描；
目标轨道，带动目标运动，模拟运动目标。
2.如权利要求1所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述动目标显示原理实验***进一步包括：
显控与处理***，用于进行参数设置、指令控制、数据采集、信号处理以及实验波形和数据的显示；同时用于进行人机交互；
实验箱体，包括主控实验模块以及自主实验模块；用于进行参数设置、指令控制、数据采集和进行自主实验。
3.如权利要求2所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述显控与处理***包括：
信号发射控制模块，用于进行信号发射控制；
信号记录控制模块，用于进行回波信号记录控制；
数据处理模块，用于对记录的数据进行信号处理
显示模块，用于显示采集的原始数据和处理后的结果；
数据测量模块，用于对目标位置进行测量。
4.如权利要求2所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述实验箱体包括：
主控实验模块，包括主控FPGA单元、ADC单元、主控DDS单元、TVG单元、接收单元、发射单元、检波整形单元和主控LED显示单元；用于利用显示控制软件进行参数设置、指令控制、数据采集，以及实验波形和数据显示；
自主实验模块，包括FPGA单元、DDS单元1、DDS单元2、数码管显示单元和LED显示单元；用于进行自主编程以及自主实验。
5.如权利要求4所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述主控FPGA单元包括：
主控FPGA单元，用于产生发射门控、采集门控、采集时钟和数字发射信号；用于将发射门控信号引出至学生自主实验模块FPGA单元，进行信号互联；同时用于与网络接口芯片进行以太网通信，接收PC机发来的控制指令和参数，发送获得的数据。
6.如权利要求5所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述主控FPGA单元包括：
还用于产生数字发射信号、接收检波整形模块输出信号，计算距离测量值；产生ADC的控制信号，通过ADC采集回波信号；产生主控DDS单元的控制信号，并计算相关寄存器参数，通过主控DDS单元输出指定参数的波形信号；产生TVG数据和控制信号，通过TVG单元输出可变增益放大器的增益控制信号；产生轨道电机及旋转电机控制信号，控制轨道电机和旋转电机运动。
7.如权利要求4所述动目标显示原理实验***，其特征在于，所述主控实验模块进一步包括：
ADC单元，用于进行回波信号的采集；
主控DDS单元，用于生成发射信号；
发射单元，用于采用开关形式驱动MOS管导通或截止，再变压器进行升压，驱动换能器发射超声波信号；
TVG单元，包括DAC、参考源和信号隔离电路；用于产生随距离变化的增益控制信号；
接收单元，包括前级放大器、第一级有源带通滤波器、可变增益放大器、第二级有源带通滤波器；用于对接收的回波进行放大和滤波；
检波整形单元，用于调理后信号的包络检波，并通过施密特整形器对检波后信号进行整形处理，同时通过光电隔离将其输出至FPGA；
主控LED显示单元，包括实验状态指示灯、电源状态指示灯、通信状态指示灯和实验项目指示灯；用于指示电源状态、网络状态和目前正在进行的实验。
8.一种应用于如权利要求1-7所述动目标显示原理实验***的动目标显示实验方法，其特征在于，所述动目标显示实验方法包括：
将数字发射信号输入至发射单元，并由所述发射单元对接收的所述数字发射信号放大后驱动换能器，产生发射声波；
将接收机放大滤波后的回波信号输入至AD采集单元；
将一个目标放置在轨道上，将另一个目标放置在轨道的旁边，并使目标位于换能器的正前方；
检测***供电是否正常；若正常，则进行***参数设定；
移动电机，调整目标在轨道的一个端部向另一端运动；并利用显控与处理***进行信号发射以及接收回波信号的数据采集；
在数据采集的同时，进行对应实验内容的信号处理，并进行采集原始数据和处理结果的显示。
9.如权利要求8所述的动目标显示实验方法，其特征在于，当处理完成后，显控与处理***进行结果显示。
10.一种动目标显示设备，其特征在于，所述动目标显示设备用于实现权利要求8～9任意一项所述的动目标显示实验方法。
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