Торокин А. А. Основы инженерно-технической защиты информации. Факультет защиты информации кафедра инжернернотехнической защиты информации
 Скачать 1.98 Mb.
|
 Рис. 3.3. Схема тепловизора. В качестве электронно-оптических преобразователей современных тепловизоров используются линейки с фотодиодами (60-200 штук), образующими строку кадра. Развертка по вертикали (сканирование) производится путем механического качания зеркала, направляющего световые лучи от объектива к фотоприемнику. Охлаждение фотоприемников осуществляется специальными микрогабаритными холодильниками, в которых реализуются принципы термоэлектрического охлаждения, расширения газа в вакууме, термодинамические циклы Стирлинга и др. Например, ручной французский тепловизор IRGO, работающий в диапазоне 3-5 мкм, обеспечивает наблюдение в полной темноте на расстоянии до 1 км с четкостью 200х120 элементов разложения изображения и с частотой сканирования 25 Гц [9]. Изображение в видимом диапазоне формируется на экране с матрицей из светодиодов, излучающих желтый цвет. Мощность энергопотребления прибора составляет 10 Вт, масса с батареей питания - 4 кг. Основными характеристиками технических средств наблюдения в ИК-диапазоне, влияющие на их возможности, являются следующие: - спектральный диапазон; - пороговая чувствительность по температуре; - фокусное расстояние объектива; - диаметр входного отверстия объектива; - угол поля зрения прибора; - коэффициент преобразования (усиления) ЭОП; - интегральная чувствительность фотокатода ЭОП. 3.1.2. Способы и средства наблюдения в радиодиапазоне Радиолокационное и радиотепловое наблюдение осуществляется в радиодиапазоне электромагнитных волн с помощью способов и средств радиолокации и радиотепловидения. Для получения радиолокационного изображения в радиолокаторе формируется зондирующий узкий сканирующий (перемещающейся по определенному закону по горизонтали и вертикали) луч электромагнитной волны, которым облучается пространство с объектом наблюдения. Отраженный от поверхности объекта радиосигнал принимается радиолокатором и модулирует электронный луч электронно-лучевой трубки его индикатора, который перемещаясь синхронно с зондирующим лучем «рисует» на экране изображение объекта. Принципы радиолокационного наблюдения показаны на рис.3. 6.  Рис. 3.6. Принципы радиолокационного наблюдения. Радиолокационное изображение существенно отличается от изображения в оптическом диапазоне. Различие обусловлено разными свойствами отражающей поверхности объектов в оптическом и радиодиапазонах. Отраженная энергия в радиодиапазоне пропорциональна площади поверхности и конфигурации объекта, электрической проводимости поверхности. Отражательная способность объекта или его элементов характеризуется эффективной площадью рассеяния. Эффективная площадь рассеяния равна площади идеальной плоской поверхности, перпендикулярной к направлению облучения и помещенной в точке нахождения объекта, которая создает у приемной антенны радиолокатора такую же плотность потока мощности, как реальный объект. Основными показателями радиолокационных средств наблюдения являются следующие: - дальность наблюдения; - разрешающая способность на местности. Дальность радиолокационного наблюдения зависит от излучаемой радиолокатором энергии (мощности передатчика локатора) и характеристик среды распространения электромагнитной волны. Ослабление электромагнитной волны при ее распространении определяется длиной волны и степенью ослабления ее в атмосфере. Чем короче длина волны, тем прямолинейнее ее путь распространения и тем больше она затухает в атмосфере. Но одновременно тем выше может быть обеспечена разрешающая способность радиолокатора на местности. Разрешение радиолокатора на местности определяется величиной пятна, которое создает луч радиолокационной станции при облучении поверхности объекта или местности. Пятно тем меньше, чем уже диаграмма направленности антенны радиолокатора. Последняя, в свою очередь, определяется соотношением геометрических размеров конструкции антенны и длины волны. Кроме того, следует иметь ввиду, что электромагнитная волна отражается от объекта или его деталей, если их размеры, по крайней мере, соизмеримы с длиной волны. Если размеры их значительно меньше, то волна эти объекты огибает. В связи с этими с этими соображениями наиболее широко в радиолокации применяется сантиметровый диапазон с тенденцией перехода в мм-диапазон. По дальности действия наземные радиолокаторы различаются на малой, средней, большой дальности и сверхдальнего действия. РЛС малой дальности применяют для обнаружения людей и транспортных средств на расстоянии в сотни метров, средней - единицы км, большой - десятки км. Точность определения координат наземных РЛС составляет по дальности 10-20% и около градуса по азимуту. Сверхдальные РЛС используют эффект, открытый в 60‑е годы Н. И. Кабановым. Этот эффект состоит в способности радиоволн в декаметровом диапазоне распространяться на большие расстояния не только в прямом, но и обратном направлениях. Отражаясь от объектов на земной поверхности на удалении 800-4000 и более км от РЛС, электромагнитные волны, несущие информацию об их демаскирующих признаках, принимаются и регистрируются приемником радиолокатора. Однако из-за нестабильности ионосферы разрешение таких РЛС значительно хуже, чем у надгоризонтных радиолокаторов. Повышение разрешающей способности радиолокаторов без значительного увеличения размеров антенны, что особенно важно для воздушного и космического радиолокационного наблюдения, обеспечивается в радиолокационных станциях бокового обзора (РЛС БО). Они размещаются на самолетах и разведывательных КА. В РЛС БО применяются два вида антенн: вдольфюзеляжные и с синтезированной (искусственной) апертурой антенны (РСА). Принцип работы радиолокатора бокового обзора иллюстрируется на рис. 3.7.  Рис.3.7. Принцип работы радиолокатора бокового обзора. Элементы антенны первого вида размещают вдоль фюзеляжа самолета с обеих его сторон или в подвесном контейнере-обтекателе. Благодаря этому размер антенны можно увеличить до 15 м. Такая антенна создает в боковом направлении узкую (доли градусов) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и широкую - в вертикальной. В текущий момент времени она облучает на земной поверхности площадку шириной х и длиной у (см. рис.3.7). Так как зондирующий сигнал проходит до элементов этой площадки и после отражения к антенне разные пути, то лучи в точке приема имеют разные фазы. На приемной стороне сигналы, отраженные от разных участков площадки, упорядочиваются по фазе, в результате чего обеспечивается возможность увеличить разрешение в вертикальной плоскости до значения, соответствующего шагу дискретизации фазы. Величина же шага ограничивается точностью определения точности фазы и возможностями бортового компьютера. Просмотр земной поверхности по направлению полета самолета или космического аппарата производится за счет движения носителей РЛС БО с разрешением на местности, соответствующему ширине диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости - по азимуту. Повышение угловой разрешающей способности РЛС с синтезированной апертурой антенны основано на формировании узкой диаграммы направленности по азимуту с помощью искусственно создаваемой антенной решетки. Диаграмма направленности антенной решетки, формируемой в результате когерентного (с учетом фазы) сложения радиоволн от n одинаковых ее элементов размером d, что и антенна размером nd. В РЛС применяется небольшая антенна, широкая диаграмма направленности которой неподвижна относительно самолета и направлена перпендикулярно линии полета. При полете самолета антенна РЛС последовательно занимает в пространстве положения на прямой траектории полета самолета, эквивалентные положениям элементам гипотетической антенной решетки. В результате запоминания сигналов, последовательно принимаемых антенной в каждой точке траектории полета самолета, и их когерентного суммирования достигается существенное повышение разрешающей способности на местности. Размер решетки (синтезированной апертуры) соответствует длине участка траектории, на котором производится запоминание и когерентное суммирование сигналов. Используя этот метод, можно увеличить разрешающую способность РЛС по азимуту в 100 и более раз [15]. 3.2. Способы и средства перехвата сигналов. Перехват носителей в виде электромагнитного, магнитного и электрического полей, а также электрических сигналов с информацией осуществляют органы добывания радио и радиотехнической разведки. При перехвате решаются следующие основные задачи: - поиск по демаскирующим признакам сигналов с информацией в диапазоне частот, в которых они могут; - обнаружение и выделение сигналов, интересующих органы добывания; - прием (селекция, усиление) сигналов и съем с них информации; - анализ технических характеристик принимаемых сигналов; - определение местонахождения (координат) источников представляющих интерес сигналов; - обработка полученных данных с целью формирования первичных признаков источников излучения или текста перехваченного сообщения. Упрощенная структура типового комплекса средств приведена на рис. 3.8.  Рис. 3.8. Структура комплекса средств перехвата. Типовой комплекс включает: - приемные антенны; - радиоприемник; - анализатор технических характеристик сигналов; - радиопеленгатор; - устройство обработки сигналов; - устройство индикации и регистрации. Антенна предназначена для преобразования электромагнитной волны в электрические сигналы, амплитуда, частота и фаза которых соответствует аналогичным характеристикам электромагнитной волны. В радиоприемнике производится селекция сигналов по частоте, усиление и детектирование (демодуляция) выделенных радиосигналов с целью получения сигнала на носителе в виде электрических первичных сигналов: речевых, цифровых данных, видеосигналов. Для анализа радиосигналов после селекции и усиления они подаются на входы комплекса измерительной аппаратуры, осуществляющей автоматическое или автоматизированное измерение их параметров: частотных, временных, энергетических, вида модуляции, видов и структуры кодов и др. Эти комплексы различаются по диапазонам частот, функциям, принципам построения (аналоговые, цифровые). Радиопеленгатор определяет направление на источник излучения (пеленг) или его координаты. Устройство обработки и регистрации производит первичную обработку информацию (сведений и данных) и регистрирует ее для последующей обработки. Каждое из этих средств характеризуется набором определенных функций и параметров. а). Антенны Антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрические сигналы и представляют конструкцию из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобразования. Для обеспечения эффективного излучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, классификация основных из которых представлена на рис. 3.9.  Рис. 3.9. Классификация антенн. Назначение передающих и приемных антенны ясно из их наименований. По своим основным электрическим параметрам они не отличаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как передающие или приемные. Однако если к передающей антенне подводится большая мощность, то в ней принимаются специальные меры по предотвращению пробоя между элементами антенны, находящиеся под высоким напряжением. Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой антенны близка к /4, где - длина рабочей волны. Поэтому размеры и конструкция антенн отличаются как для различных диапазонов частот, так и внутри диапазонов. Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультракоротких волн, то для антенн, устанавливаемых на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональная длина антенны для обеспечения связи на частоте 30 МГц составляет 2.5 м, что неудобно для пользователя. Поэтому применяют укороченные антенны, но при этом уменьшается их КПД. По данным [16] укорочение антенны в 2 раза уменьшает КПД до 60%, в 5 раз (до 50 см) - до 10%, а КПД антенны, укороченной в 10 раз, составляет всего около 3% от рационального варианта. По конструкции антенны разделяются на проволочные (вибраторные), рупорные, параболические, рамочные, спиральные, антенные решетки и различные их комбинации. Возможности антенн как приемных, так и передающих определяются следующими характеристиками: - диаграммой направленности; - коэффициентом полезного действия; - коэффициентом направленного действия; - коэффициентом усиления; - полосой частот. Диаграмма направленности представляет графическое изображение уровня принимаемого сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных координатах (см. рис. 3.10).  Рис. 3.10. Диаграмма направленности антенн. Они могут иметь разнообразный и изрезанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими параметрами. Лепесток диаграммы направленности с максимумом мощности излучаемого или принимаемого электромагнитного поля называется главным или основным лепестком, остальные боковыми и задними. Соотношение между величинами мощности основного лепестка по сравнению с остальными характеризует направленные свойства антенны. Ширина главного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, проложенными из начала полярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине максимальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигналов приемной антенны. Чем уже ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия. Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энергетического выигрыша, который обеспечивает направленная антенна по сравнению с ненаправленной. Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь. Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффициент усиления антенны (КУ). Так как КНД >1, а КПД <1, то коэффициент усиления в зависимости от значений сомножителей может теоретически принимать значения как меньше, так и больше 1. Чем выше КУ, тем больший энергетический эффект обеспечивает антенна, но тем точнее необходимо ориентировать направление основного лепестка на источник излучения. Для параболической антенны коэффициент усиления антенны рассчитывается по формуле КУ=4Sэф/2, где Sэф - эффективная площадь зеркала антенны; - длина электромагнитной волны. Для линейных антенн (например, вибраторов) КУ характеризуется действующей высотой или длиной hа=Еа/Е, где Еа - максимальное значение наводимой в антенне электродвижущей силы, Е - напряженность электромагнитного поля в точке приема. Полоса частот, в пределах которых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее пропускания. Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания представляет основную проблему в области конструирования антенн. Чем выше КУ, тем труднее обеспечить широкополосность антенны. В зависимости от полосы пропускания антенны разделяются на узкополосные, широкополосные, диапазонные и широкодиапазонные. Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапазоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта величина увеличивается до (10-50)%, диапазонные антенны имеют коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкополосных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20. Совокупность однотипных антенн, расположенных определенным образом в пространстве, образуют антенную решетку. Сигнал антенной решетки соответствует сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антенные решетки. Антенные решетки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называют фазированными антенными решетками. Путем изменения фаз суммируемых сигналов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по пространству и ориентацию антенны на источник излучения. б). Радиоприемник Радиоприемник - основное техническое средство перехвата, осуществляющего поиск, селекцию, прием и обработку радиосигналов. В состав его входят устройства, выполняющие: - перестройку частоты настройки приемника и селекцию (выделение) нужных радиосигналов; - усиление выделенных сигналов; - детектирование (съем информации); - усиление видео или низкочастотного первичного сигнала. Различают два вида радиоприемников: прямого усиления и супергетеродинные. Появившиеся первыми приемники прямого усиления уступили супергетеродинным почти во всех радиодиапазонах, за исключением сверхвысоких частот. Такая тенденция объясняется более высокой селективностью и чувствительностью супергетеродинного радиоприемника по сравнению с приемником прямого усиления. В приемниках прямого усиления, как следует из названия, сигнал на входе приемника (выходе антенны) селектируется и усиливается без изменения его частот. Качество информации, снимаемой с этого сигнала, тем выше, чем меньше уровень помех (сигналов различной природы с частотами, близкими частоте настройки приемника). В идеале цепи селекции должны обеспечивать П - образную форму с полосой пропускания, равной ширине спектра селектируемого сигнала. Такие фильтры имеют многозвенную, достаточно сложную конструкцию из тщательно настраиваемых LC - элементов или реализуются с использованием поверхностных акустических волн. Сложность проблемы обеспечения избирательности в радиоприемниках прямого усиления обусловлена техническими трудностями создания одновременно перестраиваемых по частоте узкополосных фильтров с высокими показателями по селективности, в особенности при их промышленном производстве. Только на сверхвысоких частотах удалось достигнуть высоких показателей по чувствительности и избирательности благодаря применению в широкополосных цепях высокой частоты специальных материалов и устройств: фильтров из железоиттриевого граната и малощумящих ламп бегущей волны. В супергетеродинном приемнике проблема одновременного обеспечения высоких значений чувствительности и селективности решена путем преобразования принимаемого высокочастотного сигнала после его предварительной селекции и усиления в усилителе высокой частоты в сигнал постоянной частоты, называемой промежуточной частотой (см. рис. 3.11). |