水下光电成像技术
பைடு நூலகம்
国内外水下光电成像系统的发展
距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以脉冲发射和开 启成像时间的先后分开不同距离上的散射光和目标场景反射光， 使由被目标场景反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通开启时间 内到达摄像机并成像。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄， 使得只有目标附近的反射光才能到达摄像机并成像，传输路径上 的大部分后向散射光被隔离，从而可大大减小后向散射光的影响， 提高系统的探测和识别距离。
典型的水下距离选通光电成像系统
1. 加拿大 ：目前典型的水下距离选通成像系统是加拿大DRDC Valcartier（国防研究所）的 LUCIE 系列产品，装载在 ROV 上可工 作在 200m 的海下，对港口和深海进行探测和监测。该产品至今已 发展了三代。
2. 美国：美国 SPARTA 公司研制了一款称为 See-Ray 的距离选通成像 系统，采用 532nm Nd：YAG 激光器主动照明，单脉冲能量＞ 100mJ；接收器采用 XYBION电子系统公司生产的 ICCD。该系统有 两个版本，一种是手持式以便潜水员使用，一种为远程式适合于 安装在 ROV 上。获取 5.6AL 距离上的分辨力靶标图像，能探测到 靶标的距离是 6.4AL。 3. 高精度 3-D 激光雷达:丹麦国防研究所的研究人员开发了一款高精 度距离选通相机，可在几秒钟内构造出 3-D 图像。该系统用于识别 水雷。
7. 北京理工大学水下距离选通相机 : “十五”期间北京理工大学与 北方夜视公司合作，研制成功适合水下激光成像系统用的高性能 ns 级选通型超二代微光 ICCD 器件，突破了距离选通成像小型程控 电源及其控制技术，成功进行了水下和陆上的选通成像实验。 2006 年获得国家 863 计划“海洋技术”领域“深海探测与作业技 术”专题“水下运载技术”方向“深海水下运载平台的激光距离 选通成像探测技术研究”（2006AA09Z207）的支持，开展水下脉 冲激光距离选通成像技术研究，采用 5ns 脉宽的距离选通 ICCD 成 像系统和 DPL Nd:YAG 大功率脉冲激光器，研制成水下距离选通成 像实验系统，进行了实际水下成像实验，连续实时上传的水下视 频图像具有较好的成像效果。
2）美国 Northrup Underwater Division 1997 年开发的 SM2000 水下 激光成像系统装在海军海豚潜艇腹部。SM2000 采用输出功率 1.5W、工作波长为 488nm和 514nm 的氩离子连续激光器，采用同 步扫描技术，最大工作深度 1500m；摄像距离 2.4～45m；俯视扫 描宽度 3～63m；扫描角范围 15°~70°。潜艇的前进速度为 0.5kn～6kn，能看清水下 30m 远直径为 0.15m的物体；输出 RS170/CCIR 标准视频。
其它水下距离选通成像系统
国外其他较典型的水下距离选通成像系统还有：
1）1997 年在美国海军支持下，SEO（Schwartz Electro-Optics, Inc.）研制的水 下激光距离选通成像系统 ULIS采用二极管泵浦 Nd:YLF 激光器（倍频输出 波长 532.5nm）和三代像增强器，激光器采用创新的稳频技术减小激光器 的线宽，接收器前配有小于 1nm 的窄带滤光片，有效降低到达接收器的 背景噪声。脉冲重频 5kHz，平均输出功率 1W，脉宽 10ns，光束发散角 2.2mrad。系统可实现三维测量，Z 轴分辨力为 10cm。对于 2.5×103 cm2 的水雷，当水衰减系数为 0.004cm－1时，最大探测距离 15m，当水的衰 减系数为 0.001cm－1时，最大探测距离 50m。
水下光电成像技术
引言
鉴于对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援 的迫切需求，使得水下光电成像技术研究和装备研制成为当前国 内外重点研究方向之一。随着我国海洋、江河和地下水资源勘探、 开发和利用的日益深入，以及领海主权防卫的军事需求日趋迫切， 实现水下高分辨力环境勘测、目标探测与定位分析技术成为众多 领域水下装备作业迫切需要解决的问题。
3）法国 IFREMER 距离选通激光成像系统采用二极管泵浦 Nd: YAG 激光器，波长 532nm，脉宽 10ns，输出功率 2mW，发散角 0.6mrad。接收器为选通型ICCD，选通控制 5ns～20ms，观察距离 0～70m。
后记
近年来国外在水下光电成像技术方面开展了许 多有益的工作，不 仅水下激光距离选通成像、LLS 和偏振成像等技术已成功用于ROV 或AUV平台及其它水下成像观测，而且这些技术途径不断得到发展， 提出了一些新的水下光电成像方法，且特别强调数字图像处理技 术在水下成像中的应用前景。国内目前已突破了水下激光距离选 通成像技术的核心部件和关键技术，在水下偏振成像技术、水下 飞点激光扫描成像技术、水下图像处理方法等方面也有所进展， 但由于在水下线激光扫描成像技术方面尚未取得技术突破，在一 些新概念水下光电成像技术方面的研究较少。
4. 超短脉冲距离选通成像: 美国研究人员测试了一种门宽低至120ps 的选通成 像系统。激光器为 532nm Nd：YAG，脉冲 FWHW是 0.5ns。系统能获得 6.5AL 距离上的分辨力靶图像。 5. 水下激光雷达成像 : 南洋理工大学研制了一款距离选通成像系统。主动光 源采用 5ns 脉宽 532nm YAG 激光器，单脉冲能量 160mJ，接收器采用 ICCD。Andrzej Sluzek 等利用该系统进行选通图像的自适应融合，获得所有 成像路径上的目标图像，增大了距离选通系统的影深。 6. Aqua Lynx 水下距离选通相机 : 瑞典国防研究所，采用二极管泵浦 Nd:YAG 激光器，532nm 蓝绿光重频 0.2Hz，平均功率 1W，脉宽5ns；GenII/GenII ＋像增强器，选通门宽＜6ns，亮度增益最高 25000；系统由两个圆柱体 组成，尺寸均为15cm×50cm（直径×长度）；工作范围：3～100m；最 小可分辨距离30cm；图像分辨率 768×576pixels；功耗 80W，重 30kg。
水下目标光电探测技术及其进展
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关键 词 ： 下 目标 ； 电探 测 ； 离选通 ； 光线扫描 ； 水 光 距 激 条纹 管成像
复杂海底环境下数码相机成像技术研究
复杂海底环境下数码相机成像技术研究I. 前言复杂海底环境下，数码相机成像技术的研究一直是海洋科学研究的难点之一。
海洋深处光线暗弱，水流湍急，波浪波动频繁，水下悬浮颗粒物质多等因素都制约着数码相机在海底环境下的成像质量，限制着海洋科学家们深入了解深海中生物、地质和海洋环境的能力。
本文将在此基础上，探究复杂海底环境下数码相机成像技术研究的现状、存在的问题以及未来的发展方向。
II. 现状及问题在海洋深处，水下光线暗弱，给数码相机在此环境下拍摄带来困难。
针对此问题，研究人员目前采用的方法主要为使用白光或者蓝光LED灯泡来提供照明光源，并搭配上红外辐射和激光形成多光源成像技术。
同时，为了保证成像质量，数码相机的设备要求更高，其硬件和软件性能也需要进行完善。
但由于海洋环境的特殊性，反射的可能性较大（如鱼类、水母、水藻等植物），而反射会导致成像出现虚影，影响成像质量。
此外，水体中存在的悬浮颗粒物质会散射光线，扰乱光路，也会降低成像的清晰度和对比度。
同时，深海环境的水流湍急，波浪波动频繁，都会影响数码相机的稳定性和成像效果。
III. 未来的发展方向1. 采用更强的照明光源技术一种解决复杂海底环境下数码相机成像问题的方法是采用更强的照明光源技术，如激光、光纤等技术。
这些光源在海水中传播时，能够减轻波浪对成像的干扰，也不会产生反射现象，提供更为清晰的成像质量。
2. 采用机器学习算法在当前的数码相机中，使用了一些机器学习算法和模型，帮助相机识别出不同光环境下的图像，以便更好的调整曝光、对比度、饱和度等参数，提高成像效果。
未来可以进一步研究深度学习模型，以根据不同的海洋环境与成像条件，提供适宜的成像参数和优化识别算法。
3. 提高数码相机的性能随着科学技术的进步，相机的灵敏度和分辨率也已有了较大的提升，未来可以利用新技术进一步提高相机的性能，如增强像素数量，提高灵敏度和动态范围，以提供更高质量的成像数据。
IV. 结论综上所述，复杂海底环境下数码相机成像技术是一个重要的研究方向，随着技术的进步和不断的摸索，相信在未来我们一定能够采用更为先进的技术、提高相机的性能与成像效果，为海洋科学研究提供更为清晰的图像数据。
光电信息科学与工程在海洋开发中的应用
光电信息科学与工程在海洋开发中的应用近年来，随着科学技术的不断进步和社会经济的快速发展，人们对于海洋资源的开发利用越来越重视。
而光电信息科学与工程作为一门新兴的科学领域，因其在海洋开发中的广泛应用而愈发受到人们的关注。
本文将就光电信息科学与工程在海洋开发中的应用进行探讨。
一、海洋资源勘探与开发1.水下光学成像技术水下光学成像技术是一项重要的海洋资源勘探技术。
通过利用光电信息科学与工程的成果，可实现对海底地形、水下生态等的高清晰度成像，为海洋资源的勘探提供了有效手段。
2.海底光纤通信技术海底光纤通信技术是现代海洋开发中不可或缺的一项技术。
借助光电信息科学与工程，可以实现海底光纤的布线与维护，为海洋资源的开发与利用提供高速、稳定的通信传输方式。
二、海洋生态环境保护1.水下光学监测技术水下光学监测技术是海洋生态环境保护的重要手段之一。
利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实时监测水质、水温、海洋生物分布等指标，及时掌握海洋生态环境的变化情况，为海洋资源的保护和可持续利用提供数据支持。
2.海洋生物光学研究海洋生物光学研究是光电信息科学与工程在海洋生态环境保护中的一大应用领域。
通过探究海洋生物的光学特性，可以揭示海洋生态系统的结构与功能，为海洋生态环境的保护与恢复提供科学依据。
三、海洋能源开发利用1.海洋太阳能利用利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实现对太阳能的高效利用。
在海洋能源开发中，通过太阳能光伏发电和太阳能热发电等方式，可以实现对海洋能源的利用，进一步促进海洋能源的可持续发展。
2.潮汐能、波浪能利用光电信息科学与工程的技术进展也为潮汐能、波浪能等海洋能源的开发提供了支持。
通过光电传感、光电转换等技术手段，可以实现对潮汐和波浪等能源的捕捉和转换，为海洋能源的开发利用提供技术保障。
综上所述，光电信息科学与工程在海洋开发中展示出巨大的应用潜力。
通过水下光学成像技术的发展，可以实现对海洋资源的高清晰度勘探；海底光纤通信技术的应用，为海洋资源的开发与利用提供高速、稳定的通信传输方式；水下光学监测技术与海洋生物光学研究的发展，有助于海洋生态环境的保护与恢复；利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实现海洋能源的开发与利用，进一步促进海洋能源的可持续发展。
水下成像技术的技术原理和发展动态
水下成像技术的技术原理和发展动态下成像技术在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。
与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限。
激光器的运用从某种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术。
本文对主要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态。
由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制，目前已经有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果。
⒈常规水下成像技术常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。
其中激光扫描水下成像是利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从而减小探测器所接收到的散射光。
利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像。
因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息，从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离。
距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射。
在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相对于照射物体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很短，在这段时间内，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部分的后向散射光。
由于从物体返回来的第一个光子经受的散射最小，所以选通接收最先返回的光子束可以获得最好的成像效果。
水下光电成像技术与装备研究进展(下)
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第３卷 第３ ３ 期 ２１年 ３ ０１ 月
红 外 技 术
Ｉ ｒ ｒ ｄ Ｔｅ ｈ ｎｆａ ｅ ｃ ｎｏｌｇｙ ｏ
ＶＯ１３ Ｎ Ｏ３ ．３ ．
Ｍ ａ． ２ ｒ ０１１
＜ 综述 与评 论 ＞
水 下 光 电成 像 技 术 与装 备研 究进 展 （ ） 下
金伟其 ，王 霞，曹峰梅 ，黄有 为，刘 敬 ，李海 兰，徐
和装 置具 有 意义 。
基于光电技术的海洋环境监测系统设计
基于光电技术的海洋环境监测系统设计海洋环境监测对于保护海洋生态环境、推动海洋可持续发展具有重要意义。
基于光电技术的海洋环境监测系统能够高效、准确地监测海洋水质、生物资源和海洋灾害等关键指标，为科学决策和资源管理提供支持。
本文将着重介绍基于光电技术的海洋环境监测系统的设计原理与关键技术。
一、设计原理基于光电技术的海洋环境监测系统主要基于光学、电子、通信等技术原理，通过对海洋水质、生物资源和海洋灾害等指标的监测和分析，实现对海洋环境的实时监测与评估。
1. 海洋水质监测海洋水质监测是海洋环境监测的重要组成部分。
基于光电技术的水质监测系统通常包括水体透明度、浊度、叶绿素-a浓度等参数的监测。
其中，透明度监测常采用激光散射和接收光强的方法，通过测量散射光的强度来判断水体的透明度。
同时，利用多光谱成像技术可实现叶绿素-a浓度的定量监测，从而对水质状况进行评估。
2. 生物资源监测海洋生物资源监测对于保护和合理利用海洋生态系统具有重要意义。
基于光电技术的生物资源监测系统主要包括水下生物声学监测和遥感技术应用等。
水下生物声学监测可以通过声纳探测和声学回声方法，对海洋生物的分布和行为进行定量化研究。
而遥感技术则能够通过光谱信息的获取，实现对海洋生物资源的空间监测和分布研究。
3. 海洋灾害监测海洋灾害监测是保障海洋安全和减少损失的关键环节。
基于光电技术的海洋灾害监测系统包括海浪、风暴潮、河口冲淤等指标的监测。
其中，雷达技术和激光测距技术可以实现海浪和风暴潮的精确监测与预警，而多波段遥感技术则能够对河口冲淤等问题进行监测和分析。
二、关键技术基于光电技术的海洋环境监测系统主要依赖于光学传感器、数据传输和处理、远程监控等关键技术。
1. 光学传感器技术光学传感器是实现海洋环境监测的基础。
它能够将所测量的物理量转换为光信号，进而实现对海洋环境指标的准确监测。
光学传感器技术包括激光散射传感器、光纤传感器、光谱成像传感器等。
这些传感器能够实现高精度的测量和高灵敏度的检测，为海洋环境监测提供可靠的数据支持。
光学成像技术在海洋开发中的应用
光学成像技术在海洋开发中的应用随着海洋经济的不断发展，光学成像技术也越来越受到人们的关注。
光学成像技术是一种利用光学原理来获取图像的技术，其应用范围极为广泛，尤其是在海洋开发中的应用更是不可忽视。
本文将重点探讨光学成像技术在海洋开发中的应用以及未来的发展方向。
一、海洋资源勘探海洋资源勘探是指在海洋中寻找并开发可利用的资源。
光学成像技术可以通过光学传感器获取海洋中物体的图像信息，进而对海洋资源进行勘探。
通过光学成像技术可以获取海底地貌图像，分析海底矿产资源的分布情况，并帮助人们确定资源开采的位置。
此外，光学成像技术还可以对海洋中的生物资源进行勘探。
例如，利用潜水器搭载的光学成像设备可以获取珊瑚、海星等生物在海底的生态环境，帮助科学家研究海洋生态系统，从而更好地保护和利用海洋生物资源。
二、深海勘探深海勘探是指在深海中寻找并开发资源的工作。
深海勘探难度较大，但利用光学成像技术可以解决这一问题。
光学成像技术可以利用光电传感器对深海中的物体进行成像，如对深海火山口、海底峡谷等的分析，即使在光线较弱的环境下，也可以获得较好的成像效果。
另外，在深海的勘探中，光学成像技术还可以用于对深海生物进行观察和研究。
例如，利用各种光学成像设备，在深海中对生物的形态、生理、行为等多方面进行探索，研究深海生物的生命特性，为人类了解深海生态系统提供重要的科学依据。
三、海洋环境监测海洋环境监测是指对海洋环境进行长期、全面、系统的调查、监测和评价。
利用光学成像技术可以通过监测海水的透明度、颜色和浊度等参数，为海洋环境监测提供有效的手段。
光学成像技术还可以用于海洋污染监测。
例如，对于石油泄漏等海洋灾害事件，可以通过无人机、潜水器等载体搭载光学成像设备，对污染程度和范围进行实时监测，及时采取相应的对策，保护海洋生态环境的安全。
四、海底文物保护和考古研究海洋中保存着大量的历史文物，包括沉船、古建筑、文物遗址等。
这些文物的保护和研究对于我们了解人类文化的历史和发展具有重要的意义。
水下成像技术
水下激光成像技术5 水下激光成像技术本文主要介绍了近年发展起来的三种主要的激光水下成像方法，即常规水下激光成像、高分辨率水下激光三维成像和偏振激光成像，分析了它们各自的工作原理、特点以及各自的发展状况。
水下成像技术在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。
与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限。
激光器的运用从某种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术。
本文对主要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态。
5.1工作原理由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制。
目前已经有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点见表1。
表1 主要水下成像技术的工作原理比较5.1.1常规激光水下成像技术常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。
其中激光扫描水下成像是利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。
如图1，在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从而减小探测器所接收到的散射光。
利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像。
因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息，从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离。
距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射。
光电技术在海洋探测中的应用
光电技术在海洋探测中的应用随着人类对海洋认知的不断深入，越来越多的探测技术被应用于海洋领域，以便更好地解决海洋环境的各种问题。
光电技术作为一种新型技术，已经成功地应用于海洋探测中，并逐渐成为探测领域中的热门技术。
本文将主要介绍光电技术在海洋探测中的应用及其发展能力。
一、光电技术在海洋探测中的应用1. 海底地形探测海底地形探测是常规海洋调查中的一个重要组成部分，因为了解海底地形对评估海洋资源、制定海洋管理计划、构建海洋科研规划等方面都具有重要意义。
为了获取更精确的海底地形，研究人员将光电技术应用于海底地形探测中。
光电技术可以通过测量海水中声波在不同频率下的传播速度和在水中反射时所发射的声波，进而推算出海底地形图。
这种方式能够比传统方法获得更准确的海底地形图，而且定位精度更高，极大地提高了海底探测工作的效率。
2. 海洋水质监测海洋的水质是影响海洋环境与海洋生态环境的一个关键因素。
光电技术可以被应用于海洋水质监测中，监测各种水质指标，如水体中的营养盐含量、有机物质、溶解氧浓度、水温等。
通过光电技术，可以获得大量的关于海洋水质的数据，帮助科研人员更好地了解海洋的水质情况，制定出更科学、更符合实际情况的保护方案。
3. 海上交通安全监测海上交通安全监测是保证海上交通安全的一种重要手段。
为了防止海上交通事故，光电技术可以应用于海洋交通安全监测中。
光电技术可以通过船只上的相机拍摄周围的海洋画面，利用高速相机技术，实时监测海洋中的风、浪、流等情况，同时识别船只或动植物与其干扰物，从而降低事故风险。
4. 海洋沉积物勘探海洋沉积物是海底的一层厚厚的沉积物，它们可以记录地球历史的变化、生物演化、大气环境和海洋环境的变化。
为了研究这些历史信息和环境变化，光电技术可以通过光谱图谱和光学成像技术来分析海洋沉积物，获得质量、成分、年龄、矿物及其光学性质等信息，从而快速地获取海洋沉积物的详细信息。
二、光电技术在海洋探测中的发展能力光电技术在海洋探测中已经有了广泛的应用，随着科技进步和技术水平的提高，光电技术在海洋探测中的应用前景可以预见。
水下光电成像系统计算机仿真
电成像 系统 的理论模 型 。考虑散 射 光的影 响 ， 出 了给定距 离处的水 下成像 面各像 素 的信 号辐 给 射 量 的计算 方法和 对 比度 模 型。对 常规激 光助视 水 下成像探 测 系统进 行 了仿 真 ， 究 了光 源 系 研 统和接 受 系统 的距 离与成像 对 比度 的 关 系。与 Ｊｆ 模 型相 比 ， 文所 建模 型 中 变量 的物 理 意 ａｅ 该 义更加 明确 ， 而仿 真结果 与其 类似 ， 明该 文所述 方 法的正确 性 。 证
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水 下光 电成 像 探测 系统 在 海洋 探 测 、 下 兵 水
器试验 等方 面有 着 越来 越 重要 的应 用 。水 下
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关 键词 ： 下成像 ； 角度 近似 ； 比度模 型 ； 算机仿 真 水 小 对 计
中图分 类号 ： ４ ； Ｎ ２ １ Ｐ３ １ Ｔ ４ 文章 编 号 ：０ ５— ８ ０ ２ １ ）３— ３ ６— ５ １０ ９ ３ （ ０ ０ ０ ０ ９ ０
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