自動(dòng)駕駛圈內(nèi)，激光雷達(dá)作為割韭菜第一快的刀，估計(jì)無人反駁。據(jù)不負(fù)責(zé)任統(tǒng)計(jì)，2022年國(guó)內(nèi)將有十幾款車型搭載激光雷達(dá)上市。而其中大部分新車的上市策略又是：硬件預(yù)埋，功能開發(fā)驗(yàn)證完成后再通過OTA更新。激光雷達(dá)廠商恐怕做夢(mèng)都在感慨：頭茬的韭菜不僅嫩，割起來還特別順手。

而除了激光雷達(dá)，自動(dòng)駕駛?cè)?nèi)另外一把普通的刀在經(jīng)過重新淬火鍛造之后，也開始展現(xiàn)出割韭菜不凡的功力，這把刀江湖送其“4D毫米波雷達(dá)”稱號(hào)。通過在普通毫米波雷達(dá)的基礎(chǔ)上增加俯仰角測(cè)量的能力，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)高度數(shù)據(jù)的測(cè)量，最終也具有了和激光雷達(dá)相似的點(diǎn)云輸出能力。

4D毫米波雷達(dá)自帶速度信息的點(diǎn)云輸出，聽起來都有點(diǎn)讓人上頭。再加上可靠性、穩(wěn)定性以及量產(chǎn)成本等方面完全碾壓等效線束激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，也難怪媒體一致喊出了：自動(dòng)駕駛傳感器領(lǐng)域的下一個(gè)風(fēng)口、低線束激光雷達(dá)終結(jié)者等變革口號(hào)，并隱隱約約約展現(xiàn)出一股割韭菜第二快刀的潛質(zhì)。

自動(dòng)駕駛?cè)Φ诙?，我們就來扒一扒藏在這邊刀背后的秘密，看其是憑真本領(lǐng)上位，還是主機(jī)廠的?？嵝枰?，抑或是Tire1為割韭菜放出的煙霧彈。

刀的誕生-多普勒效應(yīng)

這把刀的誕生還要從古老的多普勒效應(yīng)說起。

1842年，中國(guó)簽訂了近代史上第一個(gè)喪權(quán)辱國(guó)的不平等條約—《南京條約》，時(shí)刻溫習(xí)并銘記歷史。同年，奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。所謂多普勒效應(yīng)，是指波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率并不相同，兩者之間的差值叫做多普勒頻率。

多普勒效用公式表達(dá)如下。式中，fr為觀察者觀測(cè)到的頻率，f0為波源發(fā)出的頻率，v為波的傳播速度，vr為觀察者的速度，vs為波源的速度。當(dāng)觀察者或波源有向?qū)Ψ娇拷倪\(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)分子分母取減號(hào)，反之取加號(hào)。

如果我們?cè)诓ㄔ吹奈恢梅胖靡粋€(gè)探測(cè)器接收反射回來的波，通過檢測(cè)多普勒頻率，就可以測(cè)得觀察者相對(duì)于光源的移動(dòng)速度。再根據(jù)波發(fā)出和接收的時(shí)間差，基于TOF原理，便可以計(jì)算出觀察者相對(duì)于光源的距離。

多普勒效應(yīng)，奠定了毫米波雷達(dá)這把刀誕生的理論基礎(chǔ)。

刀的鍛造-發(fā)展簡(jiǎn)史

毫米波雷達(dá)這把刀的雛形出現(xiàn)在20世紀(jì)四十年代的第二次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)通過部署對(duì)空雷達(dá)站，有效抵御了德國(guó)空軍的一系列空襲行動(dòng)。二戰(zhàn)中的一戰(zhàn)成名，也讓其在二戰(zhàn)后迅速推廣普及到各個(gè)領(lǐng)域。

毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到1973年，德國(guó)AEG-Telefunken和BOSCH公司開始合作投資研究汽車防撞雷達(dá)技術(shù)，但由于技術(shù)和成本原因，一直未能大規(guī)模商業(yè)化落地。

20世紀(jì)80年代，歐洲在“歐洲高效安全交通系統(tǒng)計(jì)劃”指導(dǎo)下重新開啟了車載毫米波雷達(dá)的研制。并在技術(shù)和成本均實(shí)現(xiàn)突破后，迎來了汽車防撞雷達(dá)的廣泛應(yīng)用。

里程碑事件是在1999年，奔馳在S級(jí)車上使用77GHz毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了基本的自適應(yīng)巡航功能，開啟了輔助駕駛時(shí)代，也迎來毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

毫米波雷達(dá)剛剛出道的時(shí)候，受制于芯片工藝等原因，一個(gè)雷達(dá)中需要配備七八顆射頻芯片才能保證基本的分辨率。這導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的毫米波雷達(dá)體積巨大，成本巨高，只在高端車型偶有應(yīng)用。機(jī)械式激光雷達(dá)誕生的初期，各方面都像極了這位前輩。

進(jìn)入到千禧年之后，伴隨著鍺硅半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，毫米波雷達(dá)集成度大幅提高，成本大幅下探，在高端車型上的應(yīng)用也迎來了一次小爆發(fā)。這又像極了混合固態(tài)激光雷達(dá)當(dāng)前的局面。

2017年，TI推出了基于CMOS工藝的毫米波雷達(dá)芯片，一口氣將射頻芯片、數(shù)字處理芯片和微控制器三個(gè)模塊集成到一個(gè)SOC上，既顯著降低毫米波雷達(dá)的成本，又大幅拉低了毫米波雷達(dá)的開發(fā)難度。這又有點(diǎn)像我們期待的固態(tài)激光雷達(dá)的樣子。

更驚為天人的是，TI隨后將天線也集成在芯片里，推出了集成度更高的天線片上集成（AoP）芯片，直接將毫米波雷達(dá)價(jià)格拉到了百元級(jí)別，并提供了毫米波雷達(dá)開發(fā)傻瓜式工具鏈，國(guó)內(nèi)由此掀起了轟轟烈烈的毫米波雷達(dá)創(chuàng)業(yè)及國(guó)產(chǎn)化浪潮。

刀的秘密-工作原理

一、使用頻段

毫米波雷達(dá)，從名字也可以猜測(cè)出，這是一種工作在毫米波頻段的雷達(dá)。而毫米波是指波長(zhǎng)在1-10mm，頻率在30-200GHz的電磁波，其傳播速度和光速近似相等。這個(gè)頻段電磁波在探測(cè)能力、穿透能力、抗干擾能力等方面實(shí)現(xiàn)了“中庸之道”，完美契合車載領(lǐng)域。并助力毫米波雷達(dá)在車載傳感器領(lǐng)域贏得了“全天時(shí)、全天候”工作的美譽(yù)。

毫米波雷達(dá)主要使用24GHz，60GHz，77GHz和79GHz四個(gè)頻段。24GHz準(zhǔn)確來說屬于厘米波，由于測(cè)量距離有限（60m左右），分辨率一般，常被設(shè)計(jì)為角雷達(dá)，探測(cè)大視場(chǎng)角范圍的近距離障礙物。60GHz由于受大氣衰減影響特別大，常被設(shè)計(jì)為生命體征檢測(cè)雷達(dá)，對(duì)車內(nèi)生命體征及人員姿勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)。77GHz和79GHz由于測(cè)量距離較遠(yuǎn)（200m左右），常被設(shè)計(jì)為主雷達(dá)，作為前向長(zhǎng)距離感知的利器，這兩個(gè)頻段也是未來車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域的主流頻段。

二、基本組成

毫米波雷達(dá)核心組成部分包括收發(fā)天線（TX&RX），射頻單元（RF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微控制器 (MCU)等。上文提到過，毫米波雷達(dá)剛誕生那會(huì)，這些器件都是分立的，后來通過CMOS工藝將RF、ADC、DSP、MCU等直接整到一顆SOC中（不同廠家SOC集成模塊數(shù)量略有差異）。

今天我們隨便拆開一個(gè)普通毫米波雷達(dá)，除了索然無味的外殼、接插件和固定裝置，尚能引起一點(diǎn)興趣的就是那兩塊PCB板了（有的廠家集成到一塊PCB板上），如下3D爆炸圖所示。

（圖片中爆炸圖來源：http://www.iotnova.com/hmbld）

電源主板上面密密麻麻豎立著電感、電容、二極管、電源芯片等，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)電源管理。各家一般還會(huì)在上面集成一顆安全控制器，提供與整車通訊及安全相關(guān)功能。

雷達(dá)主板可以說是整個(gè)毫米波雷達(dá)的核心，上面包括天線、RF、DSP和控制電路等。

（1）天線。理論和實(shí)踐證明，當(dāng)天線的長(zhǎng)度為電磁波波長(zhǎng)的1/4時(shí)，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。而毫米波的波長(zhǎng)只有幾個(gè)毫米，所以天線可以做得很小。通過使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，還能夠?qū)崿F(xiàn)窄波束的目的，而窄波束意味著更高的方位角分辨率。

目前毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，最常見的一種設(shè)計(jì)是在高頻PCB上集成“微帶貼片天線”，并將高頻PCB集成在雷達(dá)主板上。下圖展示了一個(gè)雷達(dá)主板集成天線高頻PCB板的實(shí)物，這是一個(gè)3發(fā)6收陣列天線。此種方案極大降低了毫米波雷達(dá)的成本和體積。

（圖片來源：https://www.ti.com.cn/）

（2）RF。RF負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號(hào)的解調(diào)，是毫米波雷達(dá)的核心射頻部分。目前主流的方案是通過MMIC(單片微波集成電路)技術(shù)將以上內(nèi)容集成。MMIC是一種用半導(dǎo)體工藝在半導(dǎo)體襯底上制造出無源和有源元器件的技術(shù)。

在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，基于鍺硅工藝的MMIC集成的功能電路主要包括低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器、移相器、開關(guān)等部件。發(fā)射器、接收器和DSP均作為獨(dú)立單元，這使得毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，整體體積也較為龐大。

隨著COMS工藝的發(fā)展， MMIC一方面變得更小，另一方面也為其與DSP和MCU集成提供了工藝可行性。TI在2016年底，推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)芯片AWR1642，將前端MMIC、DSP和MCU三個(gè)模塊集成在一個(gè)SOC上。顯著降低毫米波雷達(dá)成本的同時(shí)，還極大拉低了開發(fā)難度。

（3）DSP。DSP通過嵌入不同的信號(hào)處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號(hào)，獲得特定類型的目標(biāo)信息。DSP是毫米波雷達(dá)穩(wěn)定性、可靠性的核心。

（4）控制電路。控制電路根據(jù)DSP輸出的目標(biāo)信息，結(jié)合車身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進(jìn)行決策處理。

三、工作體制

根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要分為脈沖波工作體制和連續(xù)波工作體制兩種類型。

脈沖波技術(shù)是指毫米波雷達(dá)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射具有高峰值功率的短脈沖，基于多普勒頻率和TOF原理實(shí)現(xiàn)物體速度和距離測(cè)量，基于并列接收天線收到同一目標(biāo)反射的脈沖波的相位差實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量。由于功率高，因此可以在大雜波背景下，檢測(cè)出遠(yuǎn)距離小幅度移動(dòng)目標(biāo)。但是也帶來了高成本、高體積、高功耗的缺點(diǎn)。目前車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域很少有采此種方式。

連續(xù)波技術(shù)又可以分為FSK（頻移鍵控，可測(cè)單個(gè)目標(biāo)的距離和速度）、CW（恒頻連續(xù)波，只用于測(cè)速不可用于測(cè)距）和FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式。其中FMCW由于具有同時(shí)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)、分辨率較高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此成為連續(xù)波技術(shù)中的帶頭大哥，也順利當(dāng)選所有工作方式中的武林盟主。

FMCW是一種頻率隨時(shí)間線性增加的Chirp波形，其振幅相對(duì)于時(shí)間、頻率相對(duì)于時(shí)間的波形如下圖所示。毫米波雷達(dá)內(nèi)部合成器負(fù)責(zé)Chirp信號(hào)的生成，并以幀為單位，均勻等時(shí)間間隔的通過發(fā)射天線發(fā)出一串Chirp信號(hào)。

在毫米波雷達(dá)接收天線收到發(fā)射回來的電磁波后，會(huì)將回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)一同送入混頻器內(nèi)進(jìn)行混頻。由于發(fā)射信號(hào)在遇到被測(cè)目標(biāo)并返回的這段時(shí)間內(nèi)，回波信號(hào)的頻率相較發(fā)射信號(hào)已經(jīng)發(fā)生了改變。而混頻器的目的就是計(jì)算出發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間頻率差，稱之為中頻信號(hào)。而這個(gè)中頻信號(hào)就包含了被測(cè)目標(biāo)的距離秘密，后續(xù)再經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和測(cè)頻等處理后就可以獲得被測(cè)目標(biāo)的距離信息。

對(duì)于速度測(cè)量，由于被測(cè)目標(biāo)距離的不同，毫米波雷達(dá)接收到的回波信號(hào)相位也會(huì)不同。通過對(duì)一幀中所有單個(gè)chirp信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，并將采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，然后利用相位差來測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的速度。

對(duì)于角度測(cè)量，利用多個(gè)接收天線接收同一個(gè)回波信號(hào)，并計(jì)算回波信號(hào)之間的相位差來實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量。

刀的重生-3D變4D

上文介紹的毫米波雷達(dá)只能輸出距離、速度和角度信息，也被稱為3D毫米波雷達(dá)。而這個(gè)距離D和角度θ是安裝雷達(dá)的自車在平面極坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，如下圖所示。通過將極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系，我們可以獲得目標(biāo)車在x和y方向上離自車的距離。這個(gè)時(shí)候，大家是不是發(fā)現(xiàn)少了一個(gè)維度z方向上的距離。而這個(gè)也是3D毫米波雷達(dá)飽受詬病的缺點(diǎn)之一。

這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)移動(dòng)物體來說，還不算大問題，畢竟在道路上探測(cè)到的移動(dòng)物體按常理推測(cè)應(yīng)該都是在道路上正常運(yùn)動(dòng)的物體，這也是各廠商一貫的處理策略，從而規(guī)避了無法獲得高度這一缺陷。但是對(duì)于低空飛行的鳥，被飛吹起的輕質(zhì)物體（樹葉、塑料袋等），依舊存在誤識(shí)別的問題，我想這個(gè)應(yīng)該也是3D毫米波雷達(dá)處理移動(dòng)物體時(shí)的Corner Case吧。

但是這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)靜止物體來說，就是致命的。道路中間的井蓋，減速帶，懸在半空中的各種標(biāo)識(shí)牌，限高架，靜止的車輛等，由于沒有高度信息，通過3D毫米波雷達(dá)完全無法決策這些障礙物是否影響通行。針對(duì)靜止物體，各家廠家簡(jiǎn)單粗暴，要么直接忽略，要么極大降低置信度。這也是Tesla前期幾起事故的原因之一：攝像頭沒有識(shí)別出傾倒的白色貨車車廂，毫米波雷達(dá)識(shí)別到，但是結(jié)果在決策中置信度太低，導(dǎo)致車輛沒有觸發(fā)自動(dòng)緊急自動(dòng)功能。

由此，3D毫米波雷達(dá)這把刀便有了一個(gè)江湖的傳聞：“無法識(shí)別靜止物體”。而這個(gè)傳聞，將這把刀牢牢困在輔助駕駛的混戰(zhàn)時(shí)代，一直無法在自動(dòng)駕駛的新戰(zhàn)場(chǎng)贏得充足的尊敬。直到在思過崖下閉關(guān)苦練十年后，領(lǐng)悟出一門“測(cè)高”刀法，并起名為“4D毫米波雷達(dá)”。

4D毫米波雷達(dá)增加的最顯著特性就是可以精確探測(cè)俯仰角度，從而獲取被測(cè)目標(biāo)真實(shí)的高度數(shù)據(jù)，也就是目標(biāo)物體在笛卡爾坐標(biāo)系下z軸方向上的距離。憑借這一特性，4D毫米波雷達(dá)可以“識(shí)別靜止物體”了，最短的那塊木板補(bǔ)上了。除此之外，4D毫米波雷達(dá)在分辨率上也獲得極大提高。以Arbe Phoenix為例，其水平和垂直分辨率分別為1°和2°，水平分辨率比普通3D毫米波雷達(dá)提升5~10倍。

得益于俯仰角測(cè)量能力的獲得，其在垂直方向上也有了分辨率一說，而Phoenix的2°垂直分辨率僅比普通16/32線機(jī)械式激光雷達(dá)的1°垂直分辨率小一倍。這讓4D毫米波雷達(dá)在掃描同一物體時(shí)可獲掃描的點(diǎn)的數(shù)量極大增加，以至可以有低線束激光雷達(dá)的點(diǎn)云掃描效果。下面我們就來看看4D毫米波雷達(dá)是修煉了什么內(nèi)功而具有俯仰角測(cè)量和提高分辨率的能力。

（1）俯仰角測(cè)量

上文角度測(cè)量原理中，我們提到需要通過多個(gè)接收天線接收同一個(gè)回波信號(hào)來計(jì)算相位差從而實(shí)現(xiàn)方位角的測(cè)量。而受制于成本和體積的限制，當(dāng)前毫米波雷達(dá)使用的是多是單片收發(fā)器，天線要么3發(fā)4收，要么3發(fā)6收，滿打滿算也就十幾個(gè)虛擬通道。這么捉襟見肘的虛擬通道配置，全用在方位角的測(cè)量上，分辨率都不忍卒視，更別提勻出一些通道放在俯仰角的測(cè)量上了。

而要想實(shí)現(xiàn)俯仰角的測(cè)量，就必須增加虛擬通道的數(shù)量，最容易想到的方法就是將多個(gè)單片收發(fā)器級(jí)聯(lián)，這也是目前大部分4D毫米波雷達(dá)產(chǎn)品采用的方法。。但各廠商級(jí)連的方案各有不同，有追求低成本的2片級(jí)聯(lián)，有追求性價(jià)比的4片級(jí)聯(lián)，還有喜歡發(fā)燒的8/…/n級(jí)聯(lián)。毫米波雷達(dá)巨頭大陸推出的4D毫米波雷達(dá)ARS540采用的就是4片級(jí)聯(lián)的方案，將NXP的4片MMIC級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)12發(fā)16收，總計(jì)達(dá)192個(gè)虛擬通道。這比其經(jīng)典的3D毫米波雷達(dá)ARS408的3發(fā)6收18個(gè)虛擬通道方案，虛擬通道總數(shù)上翻了10倍多。

此種將硬件進(jìn)行直接堆疊的缺點(diǎn)也顯而易見，成本、尺寸、功耗會(huì)同步大幅增加，工藝復(fù)雜度的提升和大量天線之間的干擾問題，也將會(huì)是廠商無法忽略的頭痛難題，再加上數(shù)據(jù)量大幅增加帶來的處理芯片性能要求的提高，怎么看都覺得此種方案不是這把刀最終的樣子。

與硬件堆疊相對(duì)應(yīng)的是單純依靠AI算法增加虛擬通道數(shù)，此方案的代表廠商是傲酷。其在一篇宣傳文案中這樣寫道：傲酷靠AI軟件創(chuàng)造出極多虛擬天線的方式徹底解決了困擾車載毫米波雷達(dá)界幾十年的只能用增加實(shí)體天線數(shù)量提高角分辨率的世界難題，用軟件重新定義了雷達(dá)。同時(shí)4D成像雷達(dá)產(chǎn)品的BOM成本和普通毫米波雷達(dá)基本相似，但其性能卻是碾壓式的優(yōu)異。筆者愚笨，不懂AI算法，也沒法對(duì)這一技術(shù)方案妄加評(píng)論，只能安慰自己，讓子彈飛一會(huì)。

而部分芯片巨頭已經(jīng)開始自主研發(fā)多通道陣列射頻芯片組、雷達(dá)處理器芯片和基于人工智能的后處理軟件算法。集成化、芯片化、定制算法，這個(gè)聞起來有點(diǎn)技術(shù)革新的味道了，可能也是4D毫米波雷達(dá)該有的終極樣子。

（2）分辨率提高

分辨率直接和虛擬通道的數(shù)量成正比，上文已介紹過虛擬通道的增加方案，此處不再贅述。Arbe的4D毫米波雷達(dá)Phoenix分辨率為1°x2°，速騰的16線激光雷達(dá)分辨率為0.2°x2°，垂直分辨率一致，水平分辨率相差5倍，努努力從分辨率方面確實(shí)有取代低線束激光雷達(dá)的能力，但現(xiàn)在凡是有點(diǎn)自尊的自動(dòng)駕駛公司，誰還在用16線激光雷達(dá)呢。說16線激光雷達(dá)快在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域淘汰，似乎也不是太過分。

速騰的混合固態(tài)激光雷達(dá)（主機(jī)廠的座上賓，當(dāng)紅小生），分辨率為0.2°x0.2°，這一分辨率作為自動(dòng)駕駛主激光，部分自動(dòng)駕駛公司還在抱怨不夠用，再回頭看看4D毫米波雷達(dá)的分辨率，不知道4D毫米波雷達(dá)這個(gè)“成像”是怎么叫出口的。

刀的款式-各家主流產(chǎn)品參數(shù)

根據(jù)公開信息，總結(jié)幾款4D毫米波雷達(dá)產(chǎn)品信息如下圖所示，最新性能參數(shù)以各家網(wǎng)站最新公布為準(zhǔn)。同時(shí)據(jù)高工智能汽車預(yù)測(cè)，4D成像雷達(dá)將在2022年初開始小規(guī)模前裝導(dǎo)入，預(yù)計(jì)到2023年，搭載量有機(jī)會(huì)突破百萬顆，到2025年占全部前向毫米波雷達(dá)的比重有望超過40%。

全文小結(jié)

國(guó)內(nèi)把3D毫米波雷達(dá)吃透和用好的主機(jī)廠和Tier1不多，再加上一維信息的測(cè)量，國(guó)內(nèi)廠商就有信心不被國(guó)外巨頭牽著鼻子走？為了與眾不同，以便在市場(chǎng)宣傳時(shí)打出“全球首款”、“市場(chǎng)首家”的口號(hào)，最終還不都是被國(guó)外巨頭割了韭菜，交了智商稅。但國(guó)內(nèi)盛產(chǎn)的偏偏又是韭菜，被誰割還不是割呢！

編輯：黃飛

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