Помехи. Учебнометодическое пособие для дисциплин, связанных с преднамеренными силовыми электромагнитными воздействиями Томск 2018 2 Cодержание
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
3.1.1.3 Параметры непрерывной волны Источники непрерывной волны также обычно анализируются в области преднамеренных электромагнитных воздействий (например, [31 – 33]). Выходы непрерывной волны обычно представляют собой пачки синусоидальных импульсов, как схематически показано на рисунке 3.4. Пачки непрерывной волны можно рассматривать как синусоидальную форму сигнала с центральной частотой f0, амплитуда которой модулируется 12 периодической бинарной последовательностью импульсов с заданным рабочим циклом и частотой повторения, аналогичной известному как On-Off keying или OOK в цифровой связи [34]. Рисунок 3.4 – Иллюстрация пачек непрерывной волны j Частота повторения импульсов (PRF) Частота повторения пачек импульсов (PRF) представляет собой частоту перехода между состоянием ON-OFF-ON генератора непрерывной волны; то есть обратную периоду модулирующей последовательности импульсов T PRF PRF T PRF 1 (3.10) Частота повторения импульсов также может быть определена для генераторов повторяющихся однополярных и затухающих синусоидальных импульсов. В этих случаях частота повторения импульсов соответствует времени, прошедшему между моментами начала двух последовательных форм сигнала. k Рабочий цикл Рабочий цикл пачки – это временной интервал, в течение которого активен выход непрерывного источника волны (см. рисунок 3.4), выраженный в виде доли периода пачки. 13 Рабочий цикл может быть рассчитан как функция частоты повторения импульсов и активного временного интервала ΔT on как on PRF on PRFT T T D (3.11) 3.2 N-нормы Так называемые, N-нормы являются параметрами, которые используются для характеристики сигнала во временной области, и исторически были предложены, чтобы определить пределы восприимчивости оборудования. Особый интерес к использованию норм обусловлен тем, что их можно использовать для указания влияния данного поля на системы [24, 35]. Расчет N-норм основан на применении математических операторов ко всей форме сигнала. Краткое изложение определения норм N1 – N5 вместе с указанием на то, почему норма представляет особый интерес, представлено в таблице 3.1, воспроизведенной из [8, 24]. Таблица 3.1 – N-нормы, используемые для мощных переходных сигналов [7, 27] Норма Название Применение max 1 t R N Пиковое (абсолютное) значение Сбой схемы / электрический пробой / дуговые эффекты max 2 ) ( t t R N Пиковая (абсолютная) производная Искрение компонента / сбой схемы max 0 3 ) ( t dt t R N Пиковый (абсолютный) импульс Диэлектрический пробой (если R обозначает поле E) 0 4 ) ( dt t R N Выпрямленный общий импульс Повреждение оборудования 2 1 0 2 5 ) ( dt t R N Квадратный корень интеграла действия Выгорание компонента Обратите внимание, что первые две нормы соответствуют уже описанной амплитуде пика и пиковой производной сигналов. Если рассчитывается отношение N 1 /N 2 , также получается максимальная скорость нарастания. Таким образом, можно было бы думать о новом определении времени нарастания «на основе норм» как [36]: mr N t N N t е производно пиковое пика амплитуда 2 1 , (3.12) где индекс N обозначает расчет времени нарастания на основе «норм». 14 3.3 Параметры частотной области Параметры сигналов в частотной области получены из частотного спектра этих сигналов. Частотный спектр может быть оценен путем вычисления преобразования Лапласа вдоль мнимой оси j или путем прямого вычисления преобразования Фурье от формы сигнала во временной области. Рассмотрим иллюстрацию частотного спектра формы затухающей синусоиды на рисунке 3.5. Рисунок 3.5 – Иллюстрация частотного спектра затухающей синусоиды a Пиковая спектральная амплитуда Пиковая спектральная амплитуда R max(f) соответствует максимальной амплитуде частотного спектра формы сигнала: ) ( max ) max( f R R f (3.13) b Центральная частота Центральная частота f 0 соответствует частоте, на которой вычисляется R max(f) : ) max( ) ( 0 f R f R f f (3.14) Для сигнала, имеющего несколько локальных максимумов, нельзя однозначно определить одну центральную частоту. В этом случае термин «резонансные частоты» используется для обозначения точек, где оцениваются локальные максимумы. c Отношение полосы 15 Отношение полосы, это частное, которое обычно используется для классификации характера выхода высокомощного электромагнитного генератора. Отношение полосы спектра определяется как [8, 9, 33]: L H f f br , (3.15) где низко- и высокочастотные пределы f L и f H определены как наименьший интервал, в котором содержится 90% энергии [9, 33]: } in } , { : inf{( 9 , 0 A f f f f L H L H , 9 , 0 ) ( ) ( 2 1 2 0 2 1 2 9 , 0 df f R df f R A H L f f (3.16) Версия частотной области нормы N 5 используется в ((3.16) для вычисления частотного интервала. Для спектров с большим содержанием постоянного тока наименьший предел частоты номинально определяется как 1 Гц. Это показано на рисунке 3.5, хотя значение 1 Гц явно не показано на рисунке. Интервал между f L и f H иногда называют шириной полосы по 90% энергии BW 90 : L H f f BW 90 (3.17) d Коэффициент качества Коэффициент качества резонансных сигналов уже определен из характеристик временной области формы сигнала. И наоборот, коэффициент качества сигнала можно оценить по его спектральным характеристикам как [36] dB BW f Q 3 0 , (3.18) где BW -3dB – это частотный интервал, ограниченный предельными значениями минус 3 дБ, измеренными от центральной частоты. 16 4. Предлагаемые классификации источников преднамеренных электромагнитных воздействий В течение последнего десятилетия или около того изучение преднамеренных электромагнитных воздействий привело к различным попыткам классификации полей, создаваемых высокомощными электромагнитными источниками, также рассматриваемых как преднамеренные электромагнитные обстановки. Среди первых, если не первый, Гири предложил классификацию преднамеренной электромагнитной обстановки в соответствии со спектральными параметрами и напряженностью электрического поля генерируемых сигналов [9, 37]. В литературе были предложены другие классификации, основанные на оценке вероятности атаки преднамеренными электромагнитными воздействиями с точки зрения возможности физического приближения источника к цели или необходимого опыта для управления источником. В общем, прогнозирование возникновения атаки преднамеренными электромагнитными воздействиями является очень сложной задачей, так как задействованы многие субъективные критерии. Тем не менее, некоторые авторы [17] попытались рассмотреть возможность того, что данное высокомощное электромагнитное оружие находится в непосредственной близости от цели, оценив следующие два фактора: Доступность источника: насколько сложно создать или приобрести данный источник? Транспортируемость (мобильность) источника: насколько сложно транспортировать данный источник? Оценка каждого из этих факторов зависит от критериев эксперта по электромагнитной совместимости и эксперта по безопасности объекта. Однако некоторые руководящие принципы в классификации могут быть получены из доступных публикаций. В этом разделе мы рассмотрим классификации, появляющиеся в литературе, в соответствии с спектральными и амплитудными параметрами преднамеренной электромагнитной обстановки (IEME) и более субъективными понятиями, такими как доступность и переносимость источников. 4.1 Спектральная классификация Первая попытка классифицировать высокомощные электромагнитные генераторы была разработана Гири [37]. Предложенная классификация была сделана в соответствии со спектром создаваемой обстановки, используя как процентную ширину полосы частот, так и отношение полосы генерируемых сигналов. Как было сказано в [8, 9], использование 17 процентной полосы для классификации IEME может быть неадекватным в контексте сигналов со сверхширокой полосой пропускания, поскольку оно исходит из «точки зрения связи». С другой стороны, концепция отношения полосы была получена из физического понимания генерируемых полей уже в то время существующими высокомощными электромагнитными источниками. Предлагаемая классификация позднее была стандартизирована МЭК в 2005 г. [10]. Классификация обстановок в соответствии с отношением полосы (см. раздел 3.3) представлена в таблице 4.1 [8, 9]. Таблица 4.1 – Классификация обстановок в соответствии с отношением полосы Тип полосы Отношение полосы, br Гипополосный ≤1,01 Мезополосный 1,010<br≤3 Суб –гиперполосный 3<br≤10 Гиперполосный br≥10 4.2 Классификация по напряженности Е-поля Другим подходом для классификации IEME, создаваемых источниками HPEM, является рассмотрение генерируемого E-поля на заданном расстоянии от источника [9]. Основной интерес состоит в том, чтобы предсказать возможную угрозу электронному оборудованию в непосредственной близости от IEME из-за данного высокомощного электромагнитного источника. Существует несколько публикаций, посвященных восприимчивости электронного ИТ-оборудования [27, 37, 38–42]. Общие рекомендации, обобщающие различные исследования восприимчивости до 2004 г., можно найти в [43]. Что касается возможных воздействий мощных излучателей на электронное оборудование, то Гири предложил 4-уровневую классификацию последствий в соответствии с порядком величин генерируемого E-поля и механизма воздействия [40]. Предлагаемая классификация представлена в таблице 4.2. Обратите внимание, что механизм воздействия front-door/back-door (см. [36] для определения механизмов воздействия) также влияет на амплитуды, необходимые для создания определенного последствия. Таблица 4.2 – Классификация электромагнитных эффектов по напряженности электрического поля [40] Эффект Следствие Воздействия Front-door/back- door Порядок величины, В/м Шум Безвредно Front-door 10 0 Ложная информация Может быть критично Front-door 10 1 Временный сбой Систему можно восстановить Back-door 10 2 Необратимое повреждение Может быть критично Back-door 10 3 18 Сабат также предложил классификацию E-полей в соответствии с так называемым уровнем угрозы, как указано в таблице 4.3 [44]. Однако в литературе мало информации о обосновании выбора амплитуд. Таблица 4.3 – Классификация силы Е – поля в соответствии с уровнем угрозы [44] Уровень угрозы Описание Амплитуда XL Крайне низкий <0,1 кВ/м L Низкий 0,1 – 1 кВ/м M Средний 1 – 10 кВ/м H Высокий 10 – 100 кВ/м XH Крайне высокий >100 кВ/м 4.3 Классификация Е-поле-расстояние В отличие от HEMP обстановок, IEME, производимая высокомощными электромагнитными излучателями, зависит от расстояния, и амплитуда ожидаемых полей на заданном расстоянии будет зависеть от технологии источника и антенны. Излучаемые поля, генерируемые любой антенной в дальней зоне, обратно пропорциональны расстоянию, и поэтому нормированное к расстоянию E-поле ожидается постоянным. Это нормированное к расстоянию E-поле источника определяется как его «дальнее напряжение» V far [9]: f far rE V , (4.1) где r – растояние, а E f – поле в дальней зоне, создаваемое источником. Хотя этот параметр обычно рассматривается в литературе, насколько это известно авторам, никакой классификации источников в зависимости от их дальнего напряжения предложено не было. Три из самых высоких показателей дальнего напряжения в литературе: JOLT [18]: 5,3 МВ; GIMLI [45]: 1,4 МВ; Прототип IRA [46]: 1,281 МВ. Генерация полей HPEM обычно требует возбуждения заданной антенны высоковольтным генератором. Другим параметром высокомощных электромагнитных источников, который использовался в литературе для сравнения их характеристик, является отношение дальнего напряжения к пиковому напряжению генератора V far /V 0 . Он описывает эффективность источника при преобразовании исходного импульса в желаемое дальнее поле. Обратите внимание, что это соотношение зависит как от антенны, так и от характеристик генератора (включая скорость переключения). Для импульсных излучающих антенн амплитуда дальнего напряжения связана с производной входного импульса, и поэтому время нарастания играет значительную роль в получении высоких отношений V far /V 0 Три из самых высоких показателей V far /V 0 в литературе: Прототип IRA [46]: 10,68 (V far =1281 кВ, полученное генератором ± 60 кВ/100 ps); 19 JOLT [18]: 5,3 (V far =5,3 МВ, полученное генератором 1 МВ/180 ps); IRA II [8]: 4,60 (V far =690 кВ полученное генератором ± 75 кВ/85 ps). 4.4 Доступность источника Доступность источника описывает его достижимость в соответствии с уровнем сложности базовых технологий. В литературе предложены различные классификации, чтобы оценить это свойство источников. 4.4.1 Гири и Теше – 2004 Гири и Теше предложили в [9] классифицировать технологию источника так: Низкотехнологичные системы: характеризуются умеренной производительностью, минимальными техническими возможностями и легко собираются и развертываются, будучи упрятанными за диэлектрическими стенками в грузовиках и аналогичных транспортных средствах. Среднетехнологичные системы: требуют навыков квалифицированного инженера- электрика и относительно более сложных компонентов, таких как коммерчески доступная радиолокационная система, которая может быть модифицирована, чтобы стать оружейной системой. Высокотехнологичные системы: требуют специализированных и сложных технологий и, возможно, даже специальной настройки, чтобы нанести серьезный ущерб конкретной цели. 4.4.2 Сабат и Герби – 2009 В более поздней публикации Сабат и Герби использовали термин технологический вызов для описания знаний и усилий, необходимых для проектирования, сборки и эксплуатации источника [16]. Они предлагают рассмотреть уровень сложности базовых технологий, уровень знаний для проектирования и эксплуатации источника, наличие компонентов на рынке и затраты на классификацию источников таких как: низкотехнологичные системы; среднетехнологичие системы; высокотехнологичные системы; высокосложные системы. К сожалению, очень мало поясняется, как классифицировать данный источник в одну из вышеуказанных категорий. 20 4.4.3 ITU – 2009 В том же году термин «доступность» был предложен в [17] для измерения как стоимости, так и технологической сложности источника. Категории, предложенные ITU: потребительская; любительская; профессиональная; заказная. Опять же, не было дано четких критериев относительно того, как классифицировать источник в данную категорию; но приводятся некоторые примеры. Среди всех критериев, которые были предложены в литературе для классификации доступности источника, возможно, самым простым для измерения является стоимость источника. Сабат и Гербе предложили следующие разумные диапазоны в [16]: низкая стоимость: менее 1 тыс. €; умеренная стоимость: от 1 тыс. € до 100 тыс.€; средняя стоимость: от 100 тыс. € до 1 млн. €; высокая стоимость: более 1 млн. €. 4.5 Транспортируемость источника Переносимость источника оценивает требования в отношении размера, веса и энергоснабжения, которые определяют уровень сложности, с которым источник может быть физически перемещен ближе к цели. Что касается доступности, категории для оценки транспортируемости источника попадают под критерии экспертов. Однако в недавних публикациях есть некоторые рекомендации, которые могут служить инструментом для классификации. 4.5.1 Сабат и Герби –2009 Термин, используемый для характеристики переносимости источника в [16] – это подвижность (мобильность). Предложены для оценки следующие категории: Стационарный: источник является частью фиксированной установки. Транспортируемый: источник, который может транспортироваться между различными точками, но во время работы система должна быть стационарной в одном месте. Подвижный (мобильный): источник, который может быть интегрирован в мобильную платформу и может работать во время движения платформы. Очень подвижный: мобильный источник, который имеет возможность работать в нераскрываемом виде в городских условиях. |