УДК 638.235.231
Особенности
сертификации средств нелинейной радиолокации
Зинченко
М.В.,
Зиньковский Ю.Ф.
Национальный технический университет Украины «Киевский
политехнический институт»
Радиотехнический факультет
Кафедра Радиоконструирования и производства радиоаппаратуры
03056, г. Киев, ул. Политехническая 12
тел.: (044) 236-21-74); e-mail: zil157k@meta.ua
Аннотация: В работе
показано, что дальность действия нелинейных
радиолокаторов может варьироваться не только их энергетическим потенциалом и
коэффициентом шума приемного устройства, но и паразитными и/или побочными
нелинейными эффектами. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено объемный
характер поглощения СВЧ-волн исследуемым объектом при действии нелинейного
радиолокатора, благодаря чему значительная часть энергии идет на диссипативные
потери, которые в свою очередь приводят к изменению во времени соответствующих
демаскирующих свойств объекта.
Ключевые слова: Защита информации, нелинейная радиолокация, эффективная
дальность обнаружения закладных устройств.
Abstract:
It
is shown that the maximum detection range of the desired object in a nonlinear
radar also depends on the parasitic effects. Theoretically justified and
experimentally confirmed by the volume character of absorption of the microwave
test object under the action of a nonlinear radar, so much energy goes into the
dissipative losses, which in turn lead to a change in time of the unmasking of
object properties.
Keywords: Information Security,
non-linear radar, the effective detection range of embedded devices.
Аттестация помещений на предмет технической
защиты информации предусматривает наличие нелинейного радиолокатора. Работа нелинейного радиолокатора (НР) основана на способности исследуемого объекта преобразовывать спектральный состав зондирующего сигнала
(ЗС), т.е. излучать в
среду дополнительные кратные или
комбинационные гармоники. Эти явления возможны
при наличии в составе исследуемого объекта элементов с
нелинейными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), например, полупроводников. Идентификация закладных устройств (ЗУ) в нелинейной радиолокации в
большинстве случаев осуществляется по соотношению уровней второй и третьей
гармоник [3, 6]. Такой алгоритм поиска требует идентичности и калибровки обеих
каналов приема по коэффициенту передачи сигнала и высокой квалификации
оператора. Известно, что решение задачи
различения (идентификации) объектов поиска аппаратурой нелинейной радиолокации
может быть сформулированное только статистически [7, 8, 10].
Одним из основных показателей эффективности
использования средств нелинейной радиолокации является максимальная дальность
обнаружения закладных устройств [4, 6, 10]. Определение данного параметра с
целью сертификации нелинейных радиолокаторов − очень сложная
метрологическая задача. Существует два подхода: экспериментальный и
экспериментально-расчетный. Экспериментальный подход представляет
непосредственное измерение искомого параметра. Экспериментально-расчетный
подход состоит в том, что сначала экспериментально находят необходимые
второстепенные параметры, а потом полученные величины вводятся в строго
выведенное аналитическое выражение и тем самым получают значение искомого
параметра.
При сертификации предпочтение имеет
экспериментально-расчетный подход! Эксперты мотивируют свой выбор в пользу даного
подхода следующими объективными доводами:
- до сих пор не утвержден единый эталонный
имитатор закладного устройства для нелинейного радиолокатора из-за
разнообразной специфики изделий;
- технически сложно обеспечить необходимые
условия для получения адекватных экспериментальных данных.
Рассмотрим упрощенное аналитическое выражение
(1) для нахождения максимальной дальности обнаружения переизлученной закладным
устройством n-й гармоники
, (1)
где 
− наименьшее
значение принимаемой энергии отраженной от цели волны, при которой в оконечном
устройстве с заданной вероятностью фиксируется наличие цели; 
− время
наблюдения отраженного сигнала; 
− длина
волны на n-ой гармонике
зондирующего сигнала НР; 
−
коэффициент усиления приемной антенны на n-ой гармонике
принимаемого сигнала; 
− среднее
значение величины 
; 
− коэффициент
усиления передающей антенны; 
−
мощность электромагнитной СВЧ волны, излучаемой передатчиком в направлении на
нелинейную цель, определенная в непосредственной близости от передающей антенны.
В случае излучения непрерывного колебания постоянной мощности 
будет иметь
место равенство 
, поэтому уравнение (1) примет вид
.
Когда цель облучается последовательностью из 
импульсов,
каждый из которых имеет мощность 
и длительность 
, при этом период повторения равен 
, имеем:
,
где 
− средняя
мощность за период 
.
Потребуем равенство
излученной энергии за один и тот же промежуток времени, тогда
,
(2)
где 
− скважность
импульсного зондирующего сигнала.
Согласно (2) дальность обнаружения
нелинейной цели при импульсном режиме намного больше в сравнении с непрерывным
излучением ЗС НР.
Так при 
и скважности 
, этот рост равен 3.16 раз, а при 
и той же скважности
соответствующее увеличение составляет величину 5.6 раза.
Таким образом, дальность обнаружения n-й
гармоники от ЗУ при импульсном режиме оказывается существенно больше чем при
непрерывном.
Дальность действия нелинейных радиолокаторов
может варьироваться не только их энергетическим потенциалом и коэффициентом
шума приемного устройства, но и паразитными или побочными нелинейными эффектами
[6, 7]:
- паразитные боковые лепестки ДН излучающей
антенны НР провоцируют появление побочных гармоник от окружающих
радиоэлектронных средств;
- наличие в ЗС НР паразитных гармонических
составляющих, которые отражаясь от подстилающей поверхности, попадают в
приемный тракт НР;
- возникновение в исследуемом объекте при
определенных условиях эффектов, которые
качественно влияют на изменение его демаскирующих свойств.
Измерение второстепенных параметров может быть
реализовано сложнее измерения основного показателя. Это связано с тем, что
нужно учитывать объемный характер поглощения СВЧ-волн исследуемым объектом,
т.е. если объект содержит металлические включения, то имеем эффект
квазиравномерного разогрева всей исследуемой структуры, а значит изменение во
времени демаскирующих свойств объекта. Это утверждение требует доказательства
объемного поглощения энергии ЗС исследуемым объектом и соответствующих диссипативных
потерь в образце.
Предположим, что ЗУ представляет собой
диэлектрик, на поверхности и внутри которого присутствуют металлические
включения, т.е. некий композит. Поэтому характер поглощения СВЧ-волн ЗУ можно
рассмотреть на примере модели поглощения электромагнитных волн пластиной из
композитного материала (рис. 1).
Рис. 1. Области 1 и 3 представляют собой газ или вакуум, область 2
– слой композита, а отражатель – идеальное полубесконечное покрытие с высокой
проводимостью.
Для расчета электромагнитных полей у всех трёх областях
используется метод матрицы переноса [1, 2, 9], которая между плоскостями с
координатами 
и 
,
может быть записана следующим образом:
,
где 
, 
–
диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, 
– скорость
света, 
– круговая
частота зондирующего сигнала.
Пусть, 
, 
есть амплитуды
электрического и магнитного переменных полей падающей волны от НР,
электрическое поле поляризовано вдоль оси 
, а магнитное – вдоль оси 
, и 
, 
, 
и 
, 
−
амплитудные значения коэффициентов прохождения и отражения электрического и
магнитного полей для слоя 
. Тогда имеем следующие выражения:
, 
,
,
,
где
, 
, 
, 
−
диэлектрическая и магнитная проницаемости области, с которой волна падает на
«композитный слой» и 
; 
−
эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости «композитного шара»,
зависят от размера и объемной доли проводящих частиц;
,
[5]; 
,
− диэлектрическая и магнитная
проницаемости основы композита; 
,
− диэлектрическая и магнитная
проницаемости включенных в основу композита армирующих элементов – сферических
металлических частиц произвольного радиуса; 
− объемная концентрация включений.
Для
магнитной составляющей имеем следующее выражение:
.
При
расчете результирующего поля используется метод суперпозиции полей каждой
частицы.
Рис.
2. Зависимость индуцированного вихревыми токами магнитного поля на поверхности
образца (100х100х10 мм), состоящего из сферических проводящих частиц радиусом
2.5 мм, от объемной доли этих частиц в образце.
Представленная
на рис. 2 зависимость показывает, что в случае проводящих частиц, когда при
увеличении объемной доли частиц они не создают больших образований и
выполняется условие квазистационарности, то непосредственно индуцированное на
поверхности структуры поле уменьшается при увеличении объемной доли проводящих
частиц. Это говорит о том, что увеличение количества частиц в объеме образца
приводит к увеличению поглощенной им электромагнитной энергии.
Электромагнитные
волны от нелинейного радиолокатора охватывают всю структуру закладного
устройства, и вихревые токи возбуждаются на всей поверхности каждого отдельного
металлического включения независимо от толщины окружающего его шара
диэлектрика. Благодаря этому, можно констатировать объемный характер поглощения
СВЧ-волн и внутренний нагрев всего исследуемого объекта при нелинейной
радиолокации. Именно внутренний нагрев и приведет к изменению во времени
демаскирующих свойств исследуемого объекта.
На ВАХ кремниевого диода при воздействии
относительно мощного ЗС от НР появится участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением (рис 3), причем ширина участка возрастает с увеличением уровня
мощности зондирующего сигнала. Это связано с эффектом разогрева свободных
носителей заряда и детекторным эффектом [3].
Рис. 3. Экспериментальные
(1−4) и теоретические (1’−4’) ВАХ СВЧ диода
2А604А для разных значений мощности зондирующего сигнала НР, мВт: 1, 1’
− 0; 2, 2’ – 150; 3, 3’ – 350; 4, 4’ –
500.
Благодаря этому имеем качественное понижение
уровня амплитуды напряжения на p-n-переходе,
способного сгенерировать минимальный, фиксируемый нелинейным радиолокатором
уровень второй гармоники (рис. 4).
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 4. Поведение уровня 2-й гармоники при
воздействии переменного напряжения |
|
Из этого следует, что основной параметр –
максимальная дальность обнаружения ЗУ средствами нелинейной радиолокации, имеет
при определенных условиях качественно иную зависимость от мощности ЗС НР в
сравнении с выражением (1), что еще раз подтверждает необъективность
экспериментально-расчетного подхода для определения искомого параметра.
Выводы
Сертификация
нелинейных радиолокаторов является актуальной проблемой. Одним из основных
показателей эффективности использования средств нелинейной радиолокации
является максимальная дальность обнаружения закладных устройств. Определение
данного параметра с целью сертификации нелинейных радиолокаторов −
сложная метрологическая задача. Существует два подхода: экспериментальный и
экспериментально-расчетный. На практике предпочтение отдают
экспериментально-расчетному подходу из-за его относительно простой реализации.
При этом теряется объективность полученных результатов поскольку дальность действия нелинейных радиолокаторов может
варьироваться не только их энергетическим потенциалом и коэффициентом шума
приемного устройства, но и паразитными и/или побочными нелинейными эффектами. Электромагнитные
волны от нелинейного радиолокатора поглощаются всей структурой закладного
устройства, и вихревые токи возбуждаются на поверхности каждого отдельного
металлического включения независимо от толщины окружающего его слоя диэлектрика
(при идеализированных его диэлектрических свойствах). Благодаря этому, можно констатировать
объемный характер поглощения СВЧ-волн и внутренний нагрев всего исследуемого
объекта при нелинейной радиолокации, из-за чего значительная часть энергии идет
на диссипативные потери, которые в свою очередь приводят к изменению во времени
демаскирующих свойств объекта.
Список литературы:
1. Peng Z.-J. Effective permittivity of composite with core-shell type
inclusions by self-consistent method / Zhai P.-C., Zhang Q.-J. // Materials
Science Forum. 2005. V. 492-493. P. 89−94.
2. Wu L.Z. High frequency complex permeability of iron particles in a
nonmagnetic matrix / Ding J., Jiang H.B., Neo C.P., Chen L.F. and Ong C.K. //
J. Appl. Phys. 2006. V. 99, №8. P.083905.
3. Зінченко М. В., Зіньковський Ю. Ф. Ідентифікація напівпровідників засобами
нелінійної локації за двома гармоніками // Вісник Національного технічного
університету України "Київський політехнічний інститут" Серія —
Радіотехніка. Радіоапаратобудування. – 2009. – Вип. 38. – C. 81-93.
4. Иванов А. В., Панычев С.
Н., Подлужный В. И., Хакимов Н. Т. Параметрический метод обнаружения объектов с
нелинейными рассеивателями // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2003. Т. 46. №
9. С. 11–16.
5. Казанцева Н.Е.
Перспективные материалы для поглотителей электромагнитных волн
сверхвысокочастотного диапазона / Рывкина Н.Г., Чмутин И.А. // Радиотехника и
электроника. 2003. Т. 48, №2. С. 196−209.
6.
Каргашин В. Л., Ткач В. Н., Ткачев Д.
В. Нелинейная ближняя радиолокация. Новые алгоритмы
идентификации электронных устройств // Специальная Техника, ОАО «Электрозавод»,
Москва, №6, 2006г. C. 42–48.
7.
Каторин
Ю. Ф. Куренков Е. В., Лысов А. В., Остапенко А. Н. Энциклопедия промышленного
шпионажа: ООО «Издательство Полигон».- С.-Петербург, 2000. – 512 с.
8. Панычев С. Н., Хакимов
Н. Т. Статистический метод обнаружения флуктуирующей цели способом нелинейной
радиолокации по энтропийному критерию различения // Телекоммуникации. 2002. №
11. С. 21–25.
9. Семененко В.Н.
Искуственный магнетизм композитных материалов на основе диэлектрических
резонаторов / Семененко В.Н., Чистяев В.А., Рябов Д.Е. // СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии: Материалы Междунар. конф. – Севастополь:
Севаст. Гос. Техн. Ун-т, 1997. – С. 113−116.
10. Хорошко В. А., Чекатков
А. А. Методы и средства защиты информации. К.:
"Юниор",
2003. – 504 с.