Принцип работы нелинейного локатора

А.П. Кухаренко, К.С. Мацко

Лабораторный практикум

по дисциплине «Технические средства и методы защиты информации»

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В Г.ТАГАНРОГЕ

 

А.П. Кухаренко, К.С.Мацко

Лабораторный практикум

по дисциплине «Технические средства и методы защиты информации»

«Изучение принципов и свойств работы нелинейного локатора»

Учебное пособие

 

Таганрог 2011 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ. 4

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.. 5

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 6

НЕЛИНЕЙНАЯ ЛОКАЦИЯ.. 6

ПРИНЦИП РАБОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА.. 10

ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАТОРОВ 12

МЕТОДИКА РАБОТЫ С ЛОКАТОРОМ.. 14

ОПИСАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА «КАТРАН». 18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ЗАКЛАДНЫХ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОБНАРУЖИТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ». 32

УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ.. 38

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.. 39

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 40

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Одной из наиболее сложных задач в области защиты информации является поиск внедрённых закладных устройств, не использующих радиоканал для передачи информации, а также радио закладок, находящихся в пассивном (неизлучающем) состоянии. Традиционные средства выявления такие, как панорамные радиоприёмники, анализаторы спектра или детекторы поля, в этом случае оказываются неэффективны. Визуальный осмотр также не гарантирует обнаружение подобных закладных устройств, так как современные технологии позволяют изготовлять их с любым видом камуфляжа, прятать в элементах строительных конструкций и интерьера.

Именно эта проблема и привела к появлению нового вида поискового прибора, получившего название нелинейного локатора (НЛ). Своим названием он обязан заложенному физическому принципу выявления устройств несанкционированного съема информации.

В настоящее время известно множество моделей как отечественных, так и зарубежных нелинейных локаторов. К числу их основных характеристик относятся мощность, частота и режим излучения, метод регистрации гармоник.

Однако при всем многообразии моделей локаторов все же не до конца остается изучен вопрос о эффективности поиска ими в условиях расположения закладных устройств в различных материалах или за этими материалами. Не совсем ясно, на какой максимальной глубине и в каких средах может быть найдена закладка или естественный полупроводник в «полевых» условиях, т.е. когда производится реальный осмотр помещения. Данное учебное пособие как раз и направлено на изучение влияния среды размещения закладных устройств на их обнаружительную способность. Благодаря простой и понятной конструкции, удобности и эффективности использования, студенты могут исследовать влияние различных материалов на эффективность поиска закладных устройств, выявлять факторы, которые препятствуют обнаружению закладок, провести ряд экспериментов и закрепить понятия.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

 

Нелинейный элемент – это элемент, у которого вольтамперная характеристика не является прямой, проходящей через начало координат.

Нелинейный локатор – это электронное устройство, предназначенное для поиска и обнаружения электронных устройств, установленных в строительных конструкциях, предметах мебели и интерьера, находяшихся как в активном, так и в выключенном состоянии.

Закладное устройство – это электронное устройство перехвата акустической (речевой) и/или видовой информации, несанкционированно и скрытно устанавливаемые на объектах.

НЭ – нелинейный элемент

НЛ – нелинейный локатор

РЭУ - радиоэлектронное устройство

НО – нелинейный отражатель

МОМ – металл-окисел-металл

ЗС – зондирующий сигнал

НР – нелинейный рассеиватель

ОЭ – общий эмиттер

ОК – общий коллектор

АЧХ – амплитудо – частотная характеристика

ВЧ – высокая частота

СВЧ – сверхвысокая частота

НЧ – низкая частота

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

НЕЛИНЕЙНАЯ ЛОКАЦИЯ

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, то 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 время безнаказанного использования угроз за счет эффективного выявления радиоэлектронных средств съема информации.

На отечественном рынке услуг по защите информации нелинейный локатор появился в 1993г. и был представлен моделью “Циклон”. В настоящее время рынок изобилует большим количеством разнообразных моделей, различающихся друг от друга в основном по четырем параметрам: тип излучения - непрерывный или импульсный; частота излучения; мощность излучения; регистрация количества гармоник - одна (вторая), две (вторая, третья). Несмотря на достаточно продолжительный срок наличия данных устройств на рынке услуг, к настоящему времени в печати появилось лишь три статьи, 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 ряд вопросов, возникающих при выборе модели локатора.

Основное противоречие вызывает вопрос о необходимости регистрации либо одной (второй) гармоники, либо двух (второй и третьей) гармоник. Необходимость регистрации третьей гармоники для цели идентификации объекта была выдвинута американскими исследователями для обнаружения с вертолетов замаскированных наземных бронетанковых соединений и их отдельных объектов, однако были получены неудовлетворительные результаты с точки зрения высоты (дальности) обнаружения. Эти идеи нашли свое воплощение в малогабаритных локаторах для обнаружения и “идентификации” скрытых радиоэлектронных устройств съема информации. Однако результаты отечественных исследований конца 80-х, начала 90-х годов показали, мягко говоря, неправомочность подобных утверждений.

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 опознования, при этом уравнение нелинейной радиолокации будет иметь вид:

где: P_{N пр.} - мощность отклика объекта на N-ой гармонике в месте расположения приемной антенны локатора, Р_изл. - мощность излучения локатора, G_изл. - коэффициент усиления излучающей антенны локатора, G_{N пр.} - коэффициент усиления приемной антенны локатора на N-ой гармонике, l = с/f - длина волны излучения локатора (эквивалентна частоте, где с - скорость света, f - частота излучения локатора), r - расстояние до объекта, N - номер принимаемой локатором гармоники, G_{НО пр.} - коэффициент усиления эквивалентной приемной антенны нелинейного объекта, G_{N изл.} - коэффициент усиления эквивалентной излучающей антенны нелинейного объекта, К₁(w) - частотно-зависимый коэффициент затухания зондирующего сигнала локатора в среде распространения, К₂(w _N) - частотно-зависимый коэффициент затухания сигнала N-ой гармоники от объекта в среде распространения, x _N(w, Р_изл.) - коэффициент нелинейного преобразования для N-ой гармоники, который, как будет показано ниже, зависит от частоты и мощности излучения локатора.

Анализ выражения (1) показывает, что мощность на гармониках, излучаемая объектом (а значит и эффективность обнаружения при прочих равных условиях), растет при увеличении мощности излучения локатора Р_изл., снижении частоты его излучения f и номера принимаемой гармоники N. Кроме того, чем ниже частота излучения локатора, тем меньшие значения имеют коэффициенты затухания К₁, К_N, что также ведет 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. Особенностями его являются очень малое значение коэффициента нелинейного преобразования (x _N < < 1) и зависимость его от частоты и мощности зондирующего сигнала локатора.

Определим понятие нелинейного объекта. Нелинейным объектом называется объект, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). К ним относятся диоды, транзисторы, микросхемы, контакты металл-окисел-металл (МОМ-диод). К простейшему нестабильному МОМ-диоду относится и классическая двуокись железа - ржавчина. Специально созданные МОМ-диоды до середины 60-х годов использовались как детекторные диоды сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Как известно, 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 i _s(t) входной сигнал на нелинейном элементе. Из (2) следует, что за счет нелинейности ВАХ в выходном сигнале за счет детектирования появляется постоянная составляющая e₀, основная гармоника с амплитудой, умноженной на коэффициент a и высшие гармоники основной частоты, амплитуды которых пропорциональны соответствующим коэффициентам. Определим физическое понятие этих коэффициентов. Следовательно, a есть крутизна ВАХ в рабочей точке.

коэффициенты b,g являются 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, w = 2p f -круговая частота сигнала в радианах/сек, f- частота сигнала, Гц. Подставляя (3) в (2) и проводя тригонометрические преобразования над степенными функциями Cos w t, получим отклик нелинейного элемента в виде:

Из (4) следует, что появление дополнительной постоянной составляющей e₀ добавляется к основному напряжению Е₀ в рабочей точке, смещая ее в сторону увеличения крутизны, если элемент находится в активном режиме, т.е. включено питание. Если питание отсутствует (выключенный - пассивный режим), то рабочая точка находится на начале ВАХ, где крутизна минимальна.

В зависимости от вида ВАХ и рабочей точки изменяется и вид апроксимации (2). Так, от этих зависимостей все производные четного порядка равны нулю и (2) можно записать в виде:

таким образом, присутствуют только нечетные гармоники. Большинство полупроводниковых приборов, используемых в радиоэлектронных устройствах съема 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 четного порядка. Данное предположение не имеет под собой физических оснований, поскольку даже искусственными технологическими приемами невозможно создать идеальные квадратичную или кубическую зависимости ВАХ.

Естественный контакт двух металлов или ржавчина представляют собой элемент с механически нестабильным “p-n переходом”, а следовательно и с нестабильной ВАХ, которая в данном случае сильно зависит от всех параметров окружающей среды, что автоматически ведет к такой же чувствительности к внешним параметрам и крутизны и остальных ее производных. Другое дело, что речь может идти только о превалировании нечетных составляющих производных, однако здесь следует вести речь об абсолютных значениях этих величин, которые уже будут зависеть не только от вида ВАХ и параметров внешней среды, но и от мощности и частоты зондирующего сигнала локатора.

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА

Принцип действия нелинейного локатора основан на физическом свойстве всех нелинейных компонентов (транзисторов, диодов и проч.) радиоэлектронных устройств излучать в эфир при их облучении сверхвысокочастотными сигналами, гармонические составляющие, кратные частоте облучения. Нелинейный локатор облучает подозреваемую область подобным сигналом (обычно около 900 МГц), после чего различные гармонические частоты анализируются на наличие гармонического сигнала. При этом процесс преобразования не зависит от того, включен или выключен исследуемый объект, также не существенно функциональное назначение радиоэлектронного устройства. Это свойство позволяет обнаруживать радиоэлектронные устройства буквально "сквозь стены". В случае получения положительных результатов обследования окончательное решение о наличии подслушивающих устройств может быть принято после проведения физического обследования, или применения металлодетектора или рентгеновского оборудования.

В состав нелинейного локатора (НЛ) входят: передатчик, прием­ник, приемо-передающая антенная система, устройства индикации.

Способность локатора обнаруживать объекты, содержащие электронные компоненты, основана на следующем. Любые радио­электронные устройства (РЭУ) состоят из печатных плат с провод­никами (антеннами), к которым подключены полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы, микросхемы, представляющие для высокочастотного зондирующего сигнала локатора набор нелиней­ных отражателей (НО). В результате облучения на этих антеннах наводятся переменные ЭДС. Элементами с нелинейной вольт-амперной характеристикой они преобразуются в высокочастотные сигналы кратных частот (гармоники), переизлучаемые в простран­ство. Переизлученный сигнал поступает на вход приемного устрой­ства локатора, настроенного на частоты гармоник 2-го или 3-го по­рядка. По наличию в спектре принимаемого сигнала высших гармо­ник частоты собственного передатчика устанавливается факт при­сутствия в зоне зондирования любого РЭУ независимо от того, включено оно или выключено.

Помехами для нелинейного локатора могут быть отражения от соприкасающихся металлических поверхностей. При контакте таких слоев возникает полупроводниковый нелинейный элемент с неустойчивым «р-п» переходом. В физике полупроводников такое обра­зование известно как металл-окисел-металл, а возникающий эле­мент называется МОМ-диод. МОМ-структура преобразовывает спектр зондирующего сигнала в частотный спектр, отличающийся от спектра сигнала, отраженного от электронного элемента. Разли­чие обусловлено временной и механической нестабильностью МОМ-структуры и проявляется в соотношении уровней компонентов спектра, являющихся продуктами нелинейных преобразований вто­рого и третьего порядка. Источником помех могут служить и радио­передатчики, работающие на частотах, близких или кратных часто­те зондирующего сигнала.

Главное достоинство нелинейных локаторов - способность об­наруживать электронные схемы как во включенном, так и выклю­ченном состоянии, недостаток - сравнительно большое число «ложных» обнаружений естественных нелинейных отражателей типа МОМ.

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: