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标题: 便携式激光盘煤系统的研究应用 [打印本页]

作者: chenjun315666 时间: 2007-9-12 10:04
标题: 便携式激光盘煤系统的研究应用
便携式激光盘煤系统的研究应用
　　目前，燃煤电厂存煤的测量一般采用人工计量方法，即先用推土机对煤场进行整
形，使其外观形体近似于梯形，再用经纬仪和米尺进行人工丈量，根据经验，简单计
算或估算。这种方法，不仅耗费大量工时和人力，而且计量也不准确，严重制约了企
业的现代化管理。因此迫切要求一种可以代替人工、省时省力、计量快速准确的装置
测出煤场存煤量。由此，针对大型煤场，研制了便携式激光盘煤系统。该系统由激光
测距仪、地图星和掌上电脑组成，激光测距仪用于对煤场进行扫描测量，地图星用于
激光测距和传输数据，掌上电脑用于存储数据。扫描完成后，由计算机拟合煤堆表面
形状，从而快速、准确地测出煤场的存煤量。
1　现场快速盘煤装置概况
　　某电厂已应用了自动盘煤装置，其机械扫描系统如图1所示，它由场地取料机、装
在取料机固定梁上的单轨和悬挂在单轨上运行的小车组成。当取料机沿煤场两侧铺设
的钢轨匀速做纵向运行时，小车在单轨上做横向往复运动，当取料机从煤场一端运行
到另一端时，装在车上的光电探测系统就对整个煤场进行了二维扫描，实现对整个煤
场煤堆表面各点高度的检测。

　　还有一种超声波测距煤场储量自动计量测绘系统，测距传感器安装在龙门吊的小
车上，借助龙门吊上小车的行走对煤场平面进行扫描，完成数据采集，并通过计算机
实现储量计算和图形绘制。
　　使用这2种盘煤装置的必要条件是煤场上已安装有龙门吊或堆式取料机，否则这两
种装置难以使用。但是若要为此而专门修建龙门吊则需大量投资，很不经济。
　　固定式图象测量系统需要将盘煤装置安装在固定的高塔架构上，精密仪器长期暴
露在恶劣的自然环境中，精度下降得很快，而且高塔架构不利于维修人员上下，投资
较大。
　　便携式激光盘煤仪以手持的激光测距仪替代塔式的激光器―――摄像机转台，以
人工选点测量替代转台自动扫描，得到包含曲面特征的三维散乱数据点集。最后，把
包含有散乱点集的数据文件传入电脑中，由相应的软件部分完成曲面的拟合与体积计
算部分。该系统克服了上述2种系统的弊端。用5号电池供电，整体重量仅2．5 kg。
2　便携式激光盘煤系统的构成
便携式激光测距仪系统流程如图2所示。

　　激光测距仪用于采集数据，采集到的数据信息包括被采集点相对于采集位置的坐
标（x，y，z），这个坐标是相对坐标，采集位置的坐标为（x0，y0，z0），则被采集点
的绝对坐标为（x＋x0，y＋y0，z＋z0）。数据采集还包括对采集到的数据的滤波和校
验，滤掉无效数据和没有用到的数据信息，确保有效数据的准确性。数据合成指的是
对不同采集位置采集到的数据进行相对坐标与绝对坐标之间的转换处理，使得所有采
集点在同一个坐标系内。
　　三维可视化指的是对三维散乱数据进行可视化处理，先对散乱数据进行插值。经
过插值运算后，得到的俯视图是在x，y平面内均匀分布的点，立体图则为煤场的三维
网格图，得到三维网格图之后便可很容易的计算体积了。插值点之间的间隔可由操作
人员任意设置，但是其间隔不应太大，太大影响体积计算的精度；也不可太小，太小
影响计算速度。
　　图像拼接技术实现的是将数码相机拍摄到的煤场的部分图像拼接成一大张煤场的
全景图。图像处理包括滤波，灰度化处理，边缘检测和曲线平滑处理。三维网格的修
正以检测出的边缘检测曲线为依据，修改网格图中的边缘点，网格图的边缘点被修改
后，部分相应的其它的点会被相应的处理。
　　为了便于斗轮机取煤和卸煤的方便，煤场一般都建成长而且很窄的长方形，煤会
被堆放成横截面为中间高两边低的三角形，或中间是平面的梯形，有时被斗轮机取走
一部分煤后，其形状就像在三角形的腰部切掉一块。其形状如图3所示。

　　无论是那一种情况，其最高点只有一点，而且，三角形的最高点一般在煤场的中
间位置，那么，在水平方向拍到的图像经边缘检测后得到的边缘曲线就是所有最高点
连成的曲线。根据这一特点，可以将煤场沿长边从中间一分为二。修改时在平视图中
放置所拍图片的边缘曲线，每修改一个平视图中的点，俯视图中在同一列上的所有点
都得到修改，这样减小了三角形或梯形煤堆图形拟合时的误差。对于煤堆的第3种情况
修改时采用折中的办法，当所拍图片能看到最高点时，修改时以最高点为依据；当看
不到最高点，只看到被挖掉一部分后的煤堆的边时修改时要略高于边缘检测曲线，这
样就尽量的减小了误差，见图4。

　　体积计算采用积分的方法，经插值计算后煤堆被均匀的划分成了若干个小立方
体，将所有的立方体的体积的加起来便是煤堆的体积。
3　系统的理论依据
3．1　散乱数据的插值
　　散乱数据指的是在二维平面上或三维空间中，无规则的随机分布的数据。散乱数
据的可视化是指对散乱数据进行插值或拟合，形成曲线或曲面并用图形或图像表现出
来的技术。用激光测得的数据是三维的散乱数据，散乱数据不能直接用于图形拟合，
为了能够进行图形拟合和体积计算，需要对散乱数据进行插值运算。
　　早在20世纪60年代，散乱数据的插值问题就已引起人们的注意。近30 a来，已经有
多种算法被提了出来。但是，没有一种算法适用于所有场合。而且大多数算法只能适
http://33tt.com/article/2004-12/439.htm（第 3／7 页）2006-3-20 9:19:26
便携式激光盘煤系统的研究应用 - 飞达光学网
用于具有中小规模数据量的散乱点插值问题。大规模散乱数据（1 000个点以上）的插
值问题还正在研究之中。
　　中小规模散乱数据的插值方法主要有2种。
3．1．1　与距离成反比的加权方法
　　这一方法首先是由气象学及地质学工作者提出来的，被称为Shepard方法。其基本
思想是将插值函数定义为n个数据点函数值的加权平均，即

（x，y）点到（xk，yk）点的距离。μ值一般取2。
　　这是一种与距离成反比的加权方法。点（xk，yk）的值fk对F（x，y）的影响与
（xk，yk）至（x，y）的距离成反比。
3．1．2　径向基函数插值法
　　基函数是由单个变量构成的，一个点（x，y）的这种基函数的形式往往是hk（x，
y）＝h（dk），这里的dk表示由点（x，y）至第k个数据点的距离。一般说来，这种方
法不具有多项式精度，但只要稍加改进，就可获得具有多项式精度的插值公式：

　　式（3）中的n个方程满足了插值要求，而式（4）中的m个方程则保证了多项式精
度。2式中共有m＋n个未知数，同时存在m＋n个方程式，联立求解，即可得出待定系
数。
3．1．3　限元方法
　　在给出具有双自变量的散乱数据点vi（xi，yi）及其函数zi＝f（xi，yi）（i＝1，2，
⋯，n）以后，首先求出二维平面上散乱点的vi凸包，并对其进行三角剖分，形成一系
列的三角形Tj，k，l（j，k，l∈i）。然后构造一系列的面片，使其插值于所有pi点的函
数值zi。主要有：Clough－Tocher插值法、Herron插值法、最小模网络法（MNN法），
这里不再祥述。
3．2　图像拼接
　　拍摄的2幅相邻图像上有相重叠的部分，只要判断出这2幅图像的重叠位置并实行
相似判形就可以实现2图像的拼接，在图5中，假设图像1和图像2是相邻的2幅图像。原
始图像中的圆形是所拍摄图像的重叠部分。只要判断出两个原始图像中的同一个圆，
就可以将两幅图像拼接起来。当然上述的圆形只是举个例子，实际上可以是任意图像
（只要不是纯色）。

　　这样就可以将图像拼接归结为：在2个有重叠部分的图像的重叠区区域内各采集下
一个样本图像块，2个样本图像块为原始图像中的同一图案，如图中的2个样本块A、B
块。图中A块一定要包含B块且明显大于B块，只要测定出B块在A块中的位置，就可完
成2个图像的拼接。
　　如何测算出B块图像是A块图像的哪一个组成部分，也就是如何判断出A块中大小
与B块相同的哪块图像是与B块最相似的问题。下面从色度学的角度谈谈两个色块相似
性的判断。在颜色理论中有很多描述色度空间的方法。常用的有RGB、HSV等方法。
现在计算机中的图像大部分采用RGB法描述。比如，RGB色度空间中有2个颜色M
（R0、G0，B0）、N（R1，G1，B1），若这2个颜色在RGB空间里的距离越小，2个颜色
就越接近。
M、N2颜色RGB空间距离为

　　此处，D越小，M与N的颜色就越相似，当D＝0时，就说明M和N是2个相同的颜
色。如果2个色块的每一点都进行比较计算、并求出所有点的D平均值。平均值越小就
表明两个色块的图案越相似。因为A块、B块是具有重叠部分的2幅图像，而A块包含B
块．故在A块中一定能寻找到一块大小与B块相同的一块图像，其与B块计算出的D平均
值为最小。例如，假设A块图像有i×j个点，B块有p×q个点。

　　根据上式求出Dxy为最小的（x，y）点，此点即为与B块图形最相近的位置点。这
样就找到了A块中包含的与B块图案最接近的位置，也就是2图案相重叠的位置。
3．3　边缘检测
　　边缘是图像的最主要特征，它的提取是图像分割、目标区域的识别、区域形状提
取等图像分析领域十分重要的基础。图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测，目
前它已成为机器视觉研究领域最活跃的课题之一，在工程应用中占有十分重要的地
位。所谓边缘就是指图像局部亮度变化最显著的部分，它是检测图像局部变化、显著
变化的最基本的运算。典型的边缘提取方法分成以下3个步骤：
a．求出原始图像横向和纵向的梯度图像；
b．根据2个方向的梯度得到模值和幅角值；
c．沿幅角方向求模极大值，获得所需边缘。
　　现在有很多传统的计算方法，如Canny算子和Sobel算子、Roberts交叉算子和拉普拉
斯算子等。对于数字图像，图像灰度值的显著变化可以用梯度来表示，以边缘检
测Sobel算子为例来讲述数字图像处理中边缘检测的实现。
对于数字图像，可以用一阶差分代替一阶微分。

Sobel梯度算子是先做成加权平均，再微分，然后求梯度，即：

　　图6（b）给出的是依据图像处理算法得到的经过图像灰度化、高通滤波、Sobel边
缘算子处理后的结果。
4　实测数据
对于煤场盘煤，测量体积的精度主要反映在重复性这个性能指标上。在实际应用中，
用户最为关心的也是重复性问题：重复性越好说明测量越准确，精度越高。现场的大
量实验表明该系统重复测量的精度很高。其中4次的实测结果分析见表1。

　　注：①试验地点：河北某电厂；②试验时间：2002年7月；③测量次数：4次；④测
量基点数：8个；⑤煤场面积：281 m×52．5 m。

作者: chenjun315666 时间: 2007-9-12 10:05
标题: ACU
ACU(Antenna Control Unit)
天线控制器
ACI(Adjacent-Channel Interference)
邻频干扰

AFC(Automatic Frequency Control)
自动频率控制

AFT(Automatic Frequency Tune)
自动频率调谐

AGC(Automatic Gain Control)
自动增益控制

AM(Amplotude Modulation)
调幅

ANT(Antenna)
天线

AUL(Average Useful Life)
平均使用寿命

BF或 BPF(Band-pass Filter)
带通滤波器

C/Ku-Band Compatible
C/K波段兼容

CAS(Conditional Access System)
条件接收系统

C Band (4 GHz to 6 GHz)
C波段（4GHz到6GHz）

CCIR(International Radio Consultative Committee )
原国际无线电咨询委员会

CCITT(Consultative Committee, International Telegraph and Telephone)
国际电报电话咨询委员会

CNR(C/N )(Carrier to Noise Ration)
载噪比

CODEC(codec)(Coder-Decode)
编解码器

COFDM(Coded Orthogonal Frequency Devision Multiplexing)
编码正交频分复用

COMSAT(Communications Satellite Corporation)
美国通信卫星公司

CP(Circular Polarization)
圆极化

CPW(Circular Polargation Wave)
圆极化波

CS(Communication Satellite)
通信卫星

D/A（Digital/Analog Conversion）
数字模拟转换

DAC(Digital/Analog Conversion)
数字模拟转换

dB(deciBel)
分贝，表示对数比例值

dBi(dB antenna gain relative to anisotroppoc source)
天线的增益（相对于各向同性辐射源）

dBW(dB power relative to one mili watt)
相对于1W的功率的dB值

dBm(dB power relative to one mili watt)
相对于1mw 的功率dB值

DC(Direct Current)
直流

D/C(Down Convertor)
下变频器

Demod(Demodulation )
解调

Domsat(Domestic Communi-Salellile)
国内通信卫星

DG(Differential Gain)
微分增益

DPX(Diplexer)
双工器

ECS(European Communications Satellite)
欧洲通信卫星

EIRP（Effective Isotropic Radiation Power）
等效全向辐射功率

ENI(Equivalent Noise Input)
等效噪声输入

ERP(Echo Return Loss)
回波损耗

f/D(Focal-Length-to –Diameter ratio of a reflector)
卫星抛物反射面焦距对天线口径之比

FDM(Frequency Division Multiple)
频分复用

FDMA(Frequency Division Multiple Access)
频分多址

FE(Front End)
前端

FF(Feed Forward)
前馈

FLL(Frequency Locked Loop)
频率锁定环

FM(Frequency Modulation)
调频

FM Threshold
调频门限

FSS(Fixed Satellite Service)
静止卫星业务

GaAs(Gallium Arsenide)
砷化镓

作者: chenjun315666 时间: 2007-9-12 10:06
标题: 基本概念
基本概念
天线是FM DX的耳朵，微弱的电波从天线经过馈线进入接收机，才能让我们听到远方电台的声音。一个接收系统的好坏，天线占了一半。我们希望天线能有高的增益，把微弱的信号变得响亮，我们希望天线能有一定的选择能力，把传呼台干扰和本地强台挡在外面，我们希望天馈系统尽量减小损耗，把每一微伏的信号都送到接收机的前端。
对于大多数使用便携式收音机来收听FM DX的人说，他们的天线也许只是收音机上的拉杆天线，这样的天线虽然简单方便，但是对于FM DX来说，无论如何是不够的，尽管拜电离层的恩赐，这样的天线系统也不是没有可能接收到DX信号。
我将介绍一些常见而且容易自制的天线，这些天线能够用我们日常生活中容易得到的材料制作。我会逐一制作这些天线，将制作的过程拍成照片，并给出尽可能详细的尺寸数据。尽管我在制作过程中会动用天线分析仪甚至是综合测试仪等设备，但是我将告诉读者不使用这些昂贵仪器的调试方法。至少，完全按照我的材料、尺寸总不会错。
      电波
在讲天线之前，不能不先提一提电波。
我们制作天线的目的是为了捕捉电波，因此，在考虑天线的问题之前，绝对有必要先研究一下电波的问题。
FM广播波段，频率上是从87.5MHz到108MHz，对应的波长是3.4米到2.7米，一般称做3米波段，是VHF（Very High Frequency）的一段。这个波段以下，54MHz到87.5MHz是电视广播波段，以上，108MHz到136MHz是航空通讯波段。VHF波段的电波传播，主要有三种途径：
   直接波
这是指从发射天线到接收天线之间，不经过任何发射，直接到达，电波就象一束光一样，所以有人称它为视线传播。视线传播这个名字也表明了这种传播方式能够传播的距离不远。这有两个原因，首先是电波从发射点出发，其能量是以幂级数递减的，而接收机要能良好地解调出广播，需要一定的信号强度。所以太远的地方，信号太弱，不足以解调。如果只是这个原因，那么拼命提高发射功率或增加接收天线的增益，也许就可以扩大收听的范围了。但是，还有一个重要的问题是，地球是圆的，在地球上任何一点发出的电波，按直线前进的方向，最终将离开地球射向天空。主要是由于第二个原因，一般地讲，地面上一个发射台发出的直线波，只能传播到70km远处地面上的接收处。如果双方的高度增加，那么这个距离还可以增加，但总是有限的。所以，70km，是本地收听的极限，实际上，由于山脉、丘陵、房屋的阻挡、反射，这个距离还要大打折扣，一般可以估计的距离是35km。
   电离层发射波
这是指电波通过电离层的发射达到接收方。这里面的名堂很多。电离层本身是有多个层次的，支持短波（1.8MHz到30MHz）反射的电离层是F1和F2层。F1和F2并不是甘心反射所有的无线电波，它们能反射的最高频率是有限的，超过这个频率的电波完全得不到反射，而是穿过电离层射向太空。如果没有这个特性，那么通讯卫星就不可能存在了，通讯卫星就是在电离层外工作的。这个最高频率叫作MUF（Max Usable Frequency）。 MUF与很多因素有关，主要是和太阳黑子活跃程度以及季节有关。太阳黑子活跃，MUF就高，天气热，MUF也高。MUF最高能高到多少呢？一般在太阳黑子活跃期的夏天，MUF在20MHz到 40MHz之间，很少超过50MHz。在低的时候甚至会低到10MHz以下。但是在太阳黑子异常活跃的时候，MUF也有可能偶然达到100MHz。这时候，就有可能通过F层发射收到DX FM了。但是这不是FM DX的主要形式，FM DX主要是通过另外一个电离层E层。本来E层的出现是破坏F层，所以我们不妨记F层为Friend层，E层为Enemy层。但是Es层的出现，却会形成一个短期内密度极高的反射层。反射层的密度高，意味着能更好地反射电波。所以Es层开通的时候，DX电台的信号会异常地强。在6米和10米业余波段工作的业余电台都知道， Es层开通的时候，很小的功率，甚至5W，也有可能做DX联络。Es的开通，主要是提供了 800km以内电波的传播路径。由于信号很强，其实很多时候并不需要很好的设备就可以接收，需要的是耐心和运气。除了这两种反射，FM DX还有可能通过对流层反射和流星余迹到达你的接收机。
   地波和大气波导
本来来说，理论上VHF是不存在地波的。但是无数的实践表明，VHF 也存在着某种程度的地波传播。所以我们能稳定地接收200km左右电台的信号。江苏和安徽两省的业余电台，每年国庆的时候都进行全省VHF移动通讯实验，也证明了VHF电波可以在200km左右的距离得到传播。大气波导是另外一种可能传播VHF电波的手段，不过人们研究得还不够多。
既然存在着这些可能，那么如何知道我收到的信号是以什么方式来的呢？一般来说，如果收到的信号来自70km以内的电台，基本上可以认为是直接波；如果是200km以内，而且信号稳定（不一定强），那么大概是地波；如果是800km以内，信号很强，但是极不稳定，而且偶尔才出现，多半是Es层传播；如果距离更远，信号很弱，大概是F层或其他形式的电离层传播了。
知道这些有什么用呢？用处在于帮助我们选择对天线的要求。比如，F层的传播有一个特点是越距，大约500km以内的电台是不可能通过F层的传播来的，这个距离内的电台信号只能以Es层来。就象在杭州想要接收台湾的FM电台信号，只能PNP（Plug and pray），等 Es层，那么天线就要考虑适合Es层的特点。
还有一个很重要的因素是极化方式，这是很容易被很多爱好者忽略的问题。电波的极化方式有三种：水平极化、垂直极化和圆极化。不管理论上怎么计算，简单的判断方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平极化，垂直的就是垂直极化，圆极化不用在 FM广播，可以不管。极化方式之所以重要，是因为要求发射方与接收方的极化方式必须一致，才能有好的接收效果。我国广播的极化方式是水平极化，所以，接收天线也应水平架设。如果极化方式不一致，会有10dB到20dB的损失。可是，经过电离层的反射过来的电波，早就被反射得七荤八素、颠三倒四，说不定是什么极化方式了。所以，接收DX信号，其实垂直极化也不错，附带的一个好处，就是可以削弱本地电台的影响。
天线的特性
   共振
任何天线都谐振在一定的频率上，我们要接收哪个频率的信号，就希望天线谐振在那个频率上。天线谐振是对天线最基本的要求，要不然，就没那么多讲究了，随便扔根线出去不也是天线嘛。
天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。计算波长的公式很简单，300/f。其中f的单位是MHz，而得到的结果的单位是米。1/4波长是称作基本振子，如偶极天线是一对基本振子，垂直天线是一根基本振子。
不过天线中的振子的长度并不正好是1/4波长，因为电波在导线中行进的速度与在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一个缩短因子。这个因子取决于材料。
   带宽
这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的，这意味着虽然谐振频率是一个频率点，但是在这个频率点附近一定范围内，这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。
我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围，最好是我们所收听的整个FM广播波段。要不然换个台还要换天线或者调天线也太麻烦了。
天线的带宽和天线的型式、结构、材料都有关系。一般来说，振子所用管、线越粗，带宽越宽；天线增益越高，带宽越窄。
   阻抗
天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。一般生产的馈线，主要是300欧姆、75欧姆和50欧姆三种阻抗，国外过去还有450欧姆和600欧姆阻抗的  馈线。
基本偶极天线的阻抗是75欧姆左右，V型偶极天线是50欧姆左右，基本垂直天线阻抗 50欧姆。其他天线一般阻抗都不是50或75欧姆，那么在把它们与馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换。
   平衡
对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来，就需要解决平衡不平衡转换的问题。
   增益
天线是无源器件，但是天线是可以有增益的。这个增益当然是相对增益，是相对于基本偶极天线而言的。FM DX所用的天线，当然希望增益越高越好。不过别忘了，增益高往往伴随着带宽窄。
   方向性
不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性，八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意外着能够集中收集所需方向的电波，还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地电台信号的影响。
但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候，定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。所以比较合理的方式，是用一个垂直天线和一付定向天线配合使用，用垂直天线等待，听到信号后，再用定向天线转过去对准了听。
   仰角
天线的仰角是指电波的仰角，而并不是天线振子本身机械上的仰角。仰角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。对于F层传播，我们希望仰角低，可以传播地远，对于 Es层，电波主要是从高处来，我们希望仰角高。
仰角的高低取决于天线型式和架设高度。一般来说，垂直天线具有低仰角，其他天线的仰角随架设高度变化。
   架设高度
天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度，一个高度我们考虑它的水平面高度，这个高度对于本地信号有些用，对于DX其实用处不大。第二个常常被忽略的高度是地面高度，是指天线到电气地面的高度。比如架设在钢筋水泥房顶的天线，虽然房子高有20米，但是天线距房顶只有1米，那么这付天线的高度只是1米。
天线的高度对不同的天线有不同的影响，一般会影响天线的阻抗和仰角。通常我们认为天线的地面高度应在0.4个波长以上，才比较不受地面的影响。
   驻波比
最后介绍这个最不被中国的爱好者熟悉的特征。
驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的。天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致，驻波比就小。驻波比高的天馈系统，信号在馈线中的损失很大。

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