главная . информация . каталог . форум . faq . контакты

вход
 
логин
пароль
 

Разделы
Статьи (1)
Статьи (2)
Статьи (3)
Статьи по нелинейной радиолокации
Книги
Защита информации от утечки по техническим каналам. Технические каналы утечки информации
Методы и средства поиска электронных устройств перехвата информации.
Способы и средства защиты информации
Учебно-методический курс "Информационная безопасность волоконно-оптических технологий"
Документы
Ссылки
СМИ о техническом шпионаже
Обнаружение СТС
Зарубежные спецслужбы
О прослушке
Общие вопросы безопасности
Галерея

Поиск

 Поиск по форуму


       





DTest

статьи (1)

Данная cтатья была опубликована в журнале "Защита информации. Конфидент" (№ 4, 1998 год,
стр. 65-70). Размещена с разрешения компании "Конфидент"

 

Н.С. Вернигоров
директор НПП Вихрь, д.т.н., профессор,
лауреат премии Совмина СССР

Принцип обнаружения объектов нелинейным локатором.

     Введение.
     Противодействие промышленному и экономическому шпионажу является непрерывным процессом развития методов, средств и способов защиты информации, идущим по принципу ответной реакции на появляющиеся угрозы. Поскольку обнаружение новых угроз, как правило, запаздывает относительно их появления, существует постоянная опасность безнаказанного использования этих угроз в течение некоторого промежутка времени.
     Разработанное в начале 80-х годов новое техническое средство - нелинейный локатор - позволило существенно уменьшить это время за счёт эффективного выявления радиоэлектронных средств съёма информации.
     В 1993 году нелинейный локатор появился на отечественном рынке услуг по защите информации, который ныне изобилует большим количеством разнообразных моделей, различающихся в основном по четырём параметрам: тип излучения - непрерывный или импульсный; частота излучения; мощность излучения; регистрация количества гармоник - одна (вторая) или две (вторая, третья). Несмотря на достаточно продолжительное время существования данных устройств на рынке, к настоящему времени в печати появились лишь три статьи [1-3], в которых сделана попытка объяснения в популярной форме принципа нелинейного взаимодействия и преобразования, лежащих в основе работы нелинейного локатора.
     Однако, как оказалось, эти публикации не сняли некоторых вопросов, возникающих при выборе модели локатора.
     Основное противоречие вызывает вопрос о необходимости регистрации либо одной (второй) гармоники, либо двух (второй и третьей) гармоник. В работе [1] приводится бездоказательное утверждение преимущества регистрации двух гармоник. В работе [3] сделана попытка на популярном уровне обосновать его несостоятельность, но популярная форма изложения не позволяет сделать это достаточно полно и убедительно.
     Необходимость регистрации третьей гармоники для цели идентификации объекта была выдвинута американскими исследователями для обнаружения с вертолётов замаскированных наземных бронетанковых соединений и их отдельных объектов [4], однако с точки зрения высоты (дальности) обнаружения полученные результаты не были удовлетворительными. Впоследствии эти идеи нашли своё воплощение в малогабаритных локаторах для обнаружения и «идентификации» скрытых радиоэлектронных устройств съёма информации. Однако результаты отечественных исследований конца 80-х и начала 90-х годов показали, мягко говоря, неправомочность подобных утверждений.
     Настоящая статья посвящена описанию принципа нелинейного преобразования и рассеивания электромагнитного поля электрически нелинейными объектами на более научной, фундаментальной основе, чем это сделано в [1-3].

     Модель радиолокационного наблюдения в условиях нелинейной локации и основные параметры нелинейного объекта.
     На основе накопленных экспериментальных и физических представлений процесс наблюдения в условиях нелинейной локации полностью аналогичен традиционной локации для случая наблюдения объектов с активным ответом в режиме опознавания, при этом уравнение нелинейной радиолокации будет иметь вид [5]:


     Анализ выражения (1) показывает, что мощность на гармониках, излучаемая объектом (а значит, и эффективность обнаружения при прочих равных условиях), возрастает при увеличении мощности излучения локатора Ризл., снижении частоты его излучения f и номера принимаемой гармоники N. Кроме того, чем ниже частота излучения локатора, тем меньшие значения имеют коэффициенты затухания К1, K2, что также ведёт к увеличению мощности сигнала от объекта.
     Существенным отличием нелинейной локации от классического наблюдения (обнаружения) объектов с активным ответом является прямое преобразование падающей на объект энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. В связи с этим модель радиолокационного наблюдения (обнаружения) в условиях нелинейной локации можно классифицировать как наблюдение с полуактивным ответом, что связано с отсутствием потребления энергии объектом от специального источника питания. Его особенностями являются очень малое значение коэффициента нелинейного преобразования (ξN << 1) и зависимость от частоты и мощности зондирующего сигнала локатора.
     Определим понятие нелинейного объекта. Таковым называется объект, обладающий нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), - диоды, транзисторы, микросхемы, контакты металл-окисел-металл (МОМ-диод). К простейшему нестабильному MOM-диоду относится и классическая двуокись железа - ржавчина.
     Специально созданные MOM-диоды до середины 60-х годов использовались как детекторные диоды сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
     Как известно, например, из работы [6], ВАХ любого нелинейного элемента разлагается в ряд Тейлора в виде апроксимирующего степенного полинома. Тогда выходной ток на воздействие гармонического входного сигнала будет иметь вид:

где is(t) - входной сигнал на нелинейном элементе.
     Из (2) следует, что из-за нелинейности ВАХ в выходном сигнале за счёт детектирования появляется постоянная составляющая е0, основная гармоника с амплитудой, умноженной на коэффициент α, и высшие гармоники основной частоты, амплитуды которых пропорциональны соответствующим коэффициентам. Определим физическое понятие этих коэффициентов. Из работы [6] следует, что α есть крутизна ВАХ в рабочей точке.

     Коэффициенты β, γ уявляются соответственно первой и второй производными от крутизны ВАХ в рабочей точке Е0.
     Пусть входной сигнал представляет собой монохроматическое (одночастотное) колебание вида:

где А0 - амплитуда сигнала, ω = 2πf - круговая частота сигнала, рад/с, f - частота сигнала, Гц. Подставляя (3) в (2) и проводя тригонометрические преобразования над степенными функциями Cosωt, получим отклик нелинейного элемента в виде:

     Из (4) следует, что появление дополнительной постоянной составляющей е0 добавляется к основному напряжению Е0 в рабочей точке, смещая её в сторону увеличения крутизны, если элемент находится в активном режиме (то есть включено питание). Если питание отсутствует (выключенный - пассивный режим), рабочая точка находится на начале ВАХ, где крутизна минимальна.
     Так, в [6] показано, что от этих зависимостей все производные чётного порядка в выражении (2) равны нулю и его можно записать в виде:
iвых.(t) = i0 + αes(t) + γe3s(t) + ζe5s(t) + ...
где, таким образом, присутствуют только нечётные гармоники.
     Большинство полупроводниковых приборов, используемых в радиоэлектронных устройствах съёма информации - транзисторы, диоды, микросхемы, - обладают характеристиками, близкими к квадратичной. Что касается естественных МОМ-диодов - ржавых частей металла или их контактов, - идентификация строится на предположении кубической зависимости их ВАХ, когда в (2) отсутствуют производные чётного порядка. Данное предположение не имеет под собой физических оснований, поскольку даже искусственными технологическими приёмами невозможно создать идеальную квадратичную или кубическую зависимость ВАХ.
     Естественный контакт двух металлов или ржавчина представляют собой элемент с механически нестабильным «р-п-переходом», а следовательно, и с нестабильной ВАХ, которая в данном случае сильно зависит от всех параметров окружающей среды, что автоматически влечёт за собой такую же чувствительность к внешним параметрам крутизны и её производных. Однако речь может идти только о превалировании нечётных составляющих производных, но здесь следует говорить об абсолютных значениях этих величин, которые будут зависеть уже не только от вида ВАХ и параметров внешней среды, но и от мощности и частоты зондирующего сигнала локатора.

     Зависимость коэффициентов нелинейного преобразования
     от параметров зондирующего сигнала локатора.

     Для определения зависимости ξN = f(ω, Ризл.) использована модель нелинейного объекта в виде вибраторной антенны, подключённой на вход смесителя на полупроводниковом диоде. Тогда эквивалентная принципиальная электрическая схема входного блока будет иметь вид, изображённый на рис. 1 [5].

     Электрическая схема замещения антенны моделировалась Ra-La-Ca - цепью, сопротивление которой изменяется от входной частоты аналогично входному сопротивлению штыревой антенны. В качестве нелинейного элемента был взят СВЧ-диод 2А605Б с известными конструктивными сосредоточенными параметрами Lk, Сk. Электрическая схема замещения диода представлена классическим видом нелинейных ёмкости Cd (Ud) и проводимости gd (Ud) р-n - перехода.
     Вместо диода можно использовать любой транзистор, что будет являться моделью выходного каскада радиомикрофонного передатчика. Электрические схемы замещения транзисторов приведены, например, в [7] и отличаются лишь большим количеством линейных реактивностей Lk и Сk. Электрическая схема замещения вибраторной антенны применима практически к любым типам антенн.
     Процедура расчёта сводилась к определению наведённой на диоде (транзисторе) через антенну мощности (ЭДС) в узле 2 входа смесителя. С помощью преобразований Вольтерра определялся выходной отклик нелинейной системы на заданное по амплитуде воздействие с последующим расчётом коэффициентов преобразования ξN [8].
     Данная методика позволяет рассчитывать напряжения высших гармоник не только на выходе схемы в узле 4, но и на входе антенны, в узле 2. Это даёт возможность применить непосредственно выражение (1) для расчёта дальности обнаружения объектов с любым видом их ВАХ для любой высшей гармоники. На рис. 2 показана зависимость коэффициента нелинейного преобразования для второй гармоники от входной мощности ξ2 = (Ризл.)  в узле 2 [5].

     Из полученной зависимости следует, что ξN существенно зависит от величины мощности, особенно на начальном участке ВАХ, когда за счёт увеличения наведенной ЭДС происходит резкое изменение крутизны характеристики. При этом абсолютное значение очень мало и меняется от 10-4 до 2∙10-3.
В дальнейшем эта зависимость существенно уменьшается и в интервале мощностей 1-6 Вт не превышает 20%. В таком случае это значение можно принять постоянным, равным 5∙10-3 что на порядок выше, чем на начальном участке ВАХ. Для третьей гармоники значение ξ3 оказалось ещё меньше. В диапазоне мощностей 1-6 Вт оно составляло 5∙10-4, что на два порядка меньше
значения ξ2.
     Экспериментально снятое значение ξ2 = f(Ризл.) для системы вибратор - диод 2А605Б на частоте 755 МГц оказалось равным 6,5∙10-2.
     Частотная зависимость ξN для второй и третьей гармоник показана на рис. 3.
     Поскольку диод является сверхвысокочастотным, то интервал значений частот лежит в диапазоне 1-6 ГГц (рабочий диапазон ракетного комплекса «Patriot» [9]). Из полученных зависимостей следует, что даже для СВЧ-умножительного диода существует резкое отличие в характере поведения коэффициентов преобразования второй и третьей гармоник. С учётом затухания в среде распространения (коэффициент К3 в (1)) эта зависимость для третьей гармоники будет ещё более усугублена. Практически такой же характер имеют зависимости коэффициентов и для более низкочастотных приборов, если заменить диапазон частот с сантиметрового на дециметровый. Для естественных MOM-диодов (ржавчина, металлические сетки и пр.) с произвольным размером и свойствами р-n-перехода эти зависимости будут ещё более разниться в силу более низкочастотных свойств подобных р-n структур.

     Заключение.
     На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
     1. Мощность зондирующего сигнала локатора возрастает с увеличением его обнаружительной способности. Поскольку р-n-переход является слабоинерционной системой для импульсного воздействия и реагирует не на среднюю, а на пиковую мощность, целесообразно применять импульсный режим излучения, так как увеличение мощности приводит к росту коэффициента нелинейного преобразования. При этом, с одной стороны, значительный уровень пиковой мощности позволяет повысить эффективность обнаружения электронных устройств (особенно находящихся в пассивном режиме), а с другой стороны, за счёт большой скважности средняя мощность излучения может быть существенно снижена до величины, удовлетворяющей действующим санитарным нормам и правилам по эксплуатации СВЧ излучающих устройств.
     2. Из-за существенной частотной зависимости коэффициентов преобразования высших порядков ξN рабочая частота локатора должна снижаться. При этом дополнительная эффективность достигается за счёт уменьшения затухания сигнала в среде распространения как на излучаемой частоте, так и на высших гармониках.
     3. Регистрация двух гармоник не является обязательным признаком идентификации нелинейного объекта.
     При внимательном анализе характеристик локаторов, как, например, в [1], выясняется, что двухчастотный режим регистрации гармоник присущ только моделям с излучением непрерывного сигнала. Подобное явление объясняется тем, что рабочая точка находится на начальном участке ВАХ, то есть в точке перегиба, если р-n-переход не находится под напряжением смещения, либо это МОМ-диод, и такое состояние является для него естественным.
     Тогда в силу малого уровня мощности, а следовательно, и малого значения наведённой на MOM-диоде или p-n-переходе ЭДС, прикладываемой к начальному участку ВАХ, зачастую происходит следующее. Поскольку характеристики естественных MOM-диодов не нормированы, то для малых уровней ЭДС мы действительно наблюдаем сигнал отклика только на третьей гармонике. Однако нет никаких сведений о вероятностном соотношении обнаруженных и пропущенных подобных объектах, то есть если радиоэлектронное устройство находится в ждущем режиме, когда потребляемый ток составляет несколько мкА, искусственные p-n-переходы в точности подобны МОМ-диодам. В таком случае их реакция на воздействие незначительного непрерывного излучения будет аналогична MOM-диоду, что повлечет за собой два возможных варианта.
     1. Сигнал отклика отсутствует - нет объекта. Возможен случай, когда уровни второй и третьей гармоник сравнимы, но в силу малости значений не фиксируются локатором. В равной степени это допущение применимо также к МОМ-диодам, из-за чего и отсутствуют соотношения вероятности их обнаружения или пропуска.
     2. Сигнал отклика имеется только на третьей гармонике - объект ложный.
     Итак, мы пропустили «закладку»! Или «закладка» специально установлена с тыльной стороны арматуры, которая её как бы «затеняет». Тем не менее результат тот же - пропуск!
     Иногда третью гармонику используют, основываясь на предположении, что от MOM-диода отклик на ней априори больше, чем на второй [10]. Поэтому признаку производят сравнение амплитуд и судят о типе объекта. Однако данная предпосылка не имеет под собой никаких оснований, поскольку целый ряд полупроводниковых приборов - полевые транзисторы, интегральные микросхемы, особенно выполненные по КМОП-технологии, - обладают подобным свойством. Это означает, что в методе амплитудной селекции изначально заложена ложная идентификация!
     Для надёжной идентификации необходимо применять описанную в [3] методику нелинейно-параметрического воздействия в виде вибрации. Это приведёт к дополнительному искусственному изменению параметров естественного р-п-перехода, которые наложатся на сигнал отклика в виде модуляции с частотой вибрации. На искусственные р-п-переходы (полупроводниковые приборы) вибрация не окажет воздействия. При импульсном режиме излучения, когда воздействие мощного зондирующего сигнала приводит к резкому изменению рабочей точки ВАХ, вызванному весьма значительной величиной наведённой ЭДС, регистрация только одной второй гармоники с применением вибрации однозначно идентифицирует р-п-переходы искусственного и естественного происхождения.
     Даже если пользователь уже обладает локатором с регистрацией двух гармоник, операцию с вибровоздействием все равно следует применять. Использование локатора с третьей гармоникой при импульсном режиме работы имеет другой интересный аспект. Поскольку регистрация третьей гармоники в этом режиме не обязательна, но все же введена в конструкцию локатора, это резко увеличивает его стоимость! Ведь с точки зрения реализации приёма двух гармоник для разработчика нет никаких технических проблем, а потребителю приходится отдавать дань своему непониманию описанных процессов, выраженную весьма значительной суммой!
     Наглядным примером этому служит локатор НР-900М. Стоимость его одночастотного варианта составляла 6000 долларов. Введение приёмника третьей гармоники «улучшило» ценовую характеристику до 8500 [10], при том, что два его основных параметра — мощность и частота излучения — остались неизменными: < 150 Вт и 900 МГц.
     Для более детального ознакомления с процессом нелинейного преобразования желающим можно порекомендовать обратиться к работам [11,12].

 

Литература
1. Притыко С.М. Нелинейная радиолокация: принцип действия, область применения, приборы и системы. // Системы безопасности. 1995, №6, с. 52.
2. Вернигоров Н.С. Нелинейный локатор - эффективное средство обеспечения безопасности в области утечки информации. // Защита информации. Конфидент. 1996, № 1, с.б7.
3. Вернигоров Н.С. «Циклону» стихия не страшна. // Частный сыск. Охрана. Безопасность. 1996, № 8, с. 36.
4. Dauber D.A., Hull D. Mettra signature — radars cross section measuriment. // Final Report instrumention Manual. San Diego. 1978.11. 68 с.
5. Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами. // Радиотехника и электроника. 1997, т. 42, №10, с. 1181.
6. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1971.
7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977.
8. Жаркой А.Г., Туев В.И. Моделирование и автоматизированный расчёт нелинейных искажений в усилителях на биполярных и полевых транзисторах. Томск. Ротапринт ТИАСУР, 1986, с.95.
9. Стрюков Б А., Лукьяенчиков А.В., Маринец А.А., Федоров А.А. // Зарубежная радиоэлектроника. 1989, №8, с. 42.
10. Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами. // Успехи физических наук. 1984, т. 142, вып. 1, с. 131.
11. Каталог ОАО «Ново». М., 1998.
12. Вернигоров Н.С, Харин В.Б. Влияние антенно-фидерного тракта нелинейного объекта на дальность обнаружения в нелинейной локации. // Радиотехника и электроника. 1997, т. 42, № 12, с. 1447.
13. Вернигоров Н.С, Борисов А.Р., Харин В.Б. К вопросу о применении многочастотного сигнала в нелинейной радиолокации. // Радиотехника и электроника. 1998. т. 43, №1.

Страницы: 1 |

Вернуться назад

 




Copyright © 2006 analitika.info
Подробнее об авторских правах

Дизайн: $SMax$
Создание сайта - рекламное агентство Sparkler
Система управления сайтом - SiteInBox