Лаба 4 НЛ. Поиск каналов утечки информации c помощью нелинейного локатора. Поиск и обнаружение радиозакладок в помещении
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Тема 4. Технические средства защиты информации в акустических и вибрационных полях. Лабораторная работа 4. Тема «Поиск каналов утечки информации c помощью нелинейного локатора. Поиск и обнаружение радиозакладок в помещении» Место проведения : -класс 107 Цель работы: изучить методы противодействия несанкционированному съему информации с помощью радиозакладок, получить навыки практического использования данных методов. Задача: 1. Изучить теоретический материал методики работы с нелинейными локаторами. 2. Получить задание на работу (см. Приложение ). 3. Выполнить заданиt по поискау закладного устройства. 4. Составить отчет (см. Приложение ОБНАРУЖЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ Основным фактором, препятствующим использованию радиолокационного ме- тода для создания дистанционных средств поиска неподвижных малоразмерных объектов, является значительный уровень помех от окружающего фона. Практиче- ское отсутствие нелинейных электромагнитных свойств у естественного фона (грун- та, воды, растительности) позволяет регистрировать гармоники облучающего поля, возникающие за счет наличия объектов искусственного происхождения, находящих- ся в зоне поиска на поверхности грунта или в его верхнем слое. Нелинейными свой- ствами могут обладать некоторые горные породы с высокой концентрацией ферро- магнитных включений, а также отдельные залежи сульфидных руд. Известно, что у реальных объектов наибольшими нелинейными свойствами обладают высокочас- тотные полупроводниковые радиодетали (транзисторы, диоды), а также точечные прижимные стальные контакты. Такими объектами являются (таблица 1): различные радиоуправляемые уст- ройства и устройства промышленного шпионажа, стрелковое оружие, обломки само- летов и вертолетов, переносные радиостанции (в том числе и выключенные) и т.д. Объектами поиска могут быть также специальные нелинейные метки, используемые для скрытого обозначения различных объектов и участков местности, а также людей (например, спасателей в труднодоступных местах). Таблица 1. Объекты поиска в нелинейной радиолокации
Способность нелинейного локатора обнаруживать радиоэлектронные устройства основана на следующем. Любые радиоэлектронные устройства (РЭУ), независимо от размера и функционального назначения, состоят из печатных плат с проводниками, которые представляют для зондирующего сигнала локатора набор элементарных антенн - вибраторов. В разрыв отдельных проводников включены полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы, микросхемы [53]. В результате облучения РЭУ зондирующим сигналом на частоте f на его полупроводниковых элементах через элементарные антенны наводится переменная ЭДС. В силу нелинейного характера вольт- амперной характеристики (ВАХ) элементов РЭУ переменный сигнал высокой частоты локатора претерпевает нелинейное преобразование в набор гармоник, частоты которых равны кратному целому числу зондирующей частоты локатора (2f, 3f и т.д.). С помощью тех же самых проводников печатной платы (элементарных антенн) весь спектр, включающий сигналы как на основной частоте f, так и на частотах гармоник 2f, 3f и т.д., переизлучается в эфир. Приемник локатора, принимая любую высшую гармонику переотраженного зондирующего сигнала локатора, устанавливает наличие в зоне облучения РЭУ [16, 53]. Так как амплитуда сигнала на гармонике резко убывает с увеличением ее номера, то в нелинейных локаторах в основном используют 2-ю и реже 3-ю гармоники. Коэффициент преобразования энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник очень мал, что относит нелинейные локаторы к системам ближнего действия. Существенное влияние на величину коэффициента преобразования оказывают значения мощности и частоты зондирующего сигнала локатора. Зависимость коэффициента преобразования от мощности зондирующего сигнала в первом приближении с точностью до 80% повторяет структуру ВАХ полупроводниковых элементов. Следовательно, на процесс преобразования влияет не величина средней мощности, а пиковая (импульсная) мощность сигнала [16, 53]. Сам процесс преобразования не зависит от состояния РЭУ: активное (включенное) или пассивное (выключенное), но коэффициент преобразования, а, следовательно, и мощность сигнала гармоник, являются функцией состояния объекта. При активном режиме объекта поиска мощность переизлученного на гармониках сигнала возрастает [53]. Наличие нелинейности характерно не только для полупроводниковых элементов радиоэлектронных средств, но контактов между металлическими предметами с пленкой окислов на поверхности, например, ржавых прутьев в железобетонных плитах домов. Все металлические контакты, в том числе и ржавчина, представляют собой нелинейный элемент с неустойчивым р-n переходом, поскольку он образован путем естественного прижима двух или более поверхностей. В физике полупроводников подобная структура известна как структура металл-окисел-металл, а нелинейный элемент подобной структуры называется МОМ-диод [53]. Поэтому обнаружение 2-й гармоники в отраженном сигнале не является достаточным условием наличия закладного устройства. Одновременный анализ 2-й и 3-й гармоник позволяет приближенно провести селекцию их источников: полупроводников РЭУ и других металлических элементов с полупроводниковым эффектом. Только в результате последующего обследования места облучения достоверно выявляется закладное устройство. Как правило, на индикаторном устройстве современного нелинейного локатора отображаются относительные уровни принимаемых сигналов на второй и третьей гармониках и их разница. Индикаторные устройства располагаются или на приемо-передающем блоке (локаторы Super Broom, "Омега-3" и др.), или непосредственно на антенной штанге (локаторы NJE - 4000, NR-900E, "Энвис" и др.). В нелинейных локаторах в основном используются передающие антенны с линейной поляризацией и приемные антенны - с круговой поляризацией. Проникающая глубина зондирующего сигнала зависит от мощности и частоты излучения. Вследствие увеличения затухания электромагнитной волны в среде распространения с повышением частоты зондирующего сигнала (с ростом частоты наблюдается экспонен-циальный рост затухания) и вследствие физической природы процесса преобразования частоты полупроводниковыми приборами, связанной с их частотными свойствами, и в частности с граничной рабочей частотой, уровень мощности преобразованного отраженного сигнала тем выше, чем ниже частота зондирующего сигнала локатора [53]. Но для излучений с более низкой частотой ухудшаются возможности локатора по локализации места нахождения нелинейности, так как при приемлемых размерах его антенны расширяется ее диаграмма направленности. В основном в нелинейных локаторах используются частоты от 600 до 1 000 МГц [53]. При выборе частоты зондирующего сигнала необходимо учитывать и тот факт, что приемники нелинейных локаторов обладают высокой чувствительностью, поэтому на частотах приема не должно быть сигналов посторонних радиоэлектронных средств даже сравнительно небольшого уровня. В противном случае наличие мешающих сигналов значительно затрудняет процесс поиска закладных устройств. Например, в центре Москвы работа с нелинейным локатором "Энвис" может быть затруднена, так как в полосе приема отраженного сигнала на второй гармонике (около 1806 МГц) постоянно работает мощное радиоэлектронное средство. Поэтому наиболее эффективно применение нелинейных локаторов, имеющих возможность перестройки рабочей частоты в некотором диапазоне. Например, в нелинейном локаторе Orion (NJE - 400) фирмы Research Electronics International (REI) предусмотрен автоматический режим выбора рабочей частота в диапазоне от 880 до 1000 МГц. При этом в качестве рабочей выбирается частота, на второй гармонике которой наблюдается наименьший уровень помех. 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ЛОКАЦИИ Антенна нелинейного локатора (НЛ) облучает объект для определения наличия в нем электронных компонентов. Когда ВЧ сигнал облучает полупроводниковые со- единения (диоды, транзисторы и т.д.), он возвращается на гармонических частотах с определенными уровнями, благодаря нелинейным характеристикам соединения. Однако ложные срабатывания также могут иметь при этом место, из-за того, что места соединения двух различных металлов или коррозионные металлические кон- струкции также вызывают гармонический отраженный сигнал вследствие своих не- линейных характеристик. Такие соединения мы будем называть ложными. На рис.1 представлены вольт-амперные характеристики полупроводникового и ложного соединений.   Рис.1. Вольт-амперные характеристики полупроводникового и ложного соединений Из-за различия в нелинейных характеристиках полупроводникового и ложного соединений, отклики 2-й и 3-й гармоник будут иметь различную интенсивность. Когда НЛ облучает полупроводник, отклик на второй гармонике сильнее, чем на 3-ей. При облучении ложного соединения наблюдается обратный эффект: отклик на 3-ей гар- монике сильнее, чем на 2-ой.  Рис.2. Сравнение уровней сигналов 2-ой и 3-ей гармоник при работе с НЛ (слева - полупроводник, справа - ложное соединение) На основе накопленных экспериментальных и физических представлений про- цесс наблюдения в условиях нелинейной локации полностью аналогичен традиционной локации для случая наблюдения объектов с активным ответом в режиме опо- знавания, при этом уравнение нелинейной радиолокации будет иметь вид [1]:  Анализ выражения (1) показывает, что мощность на гармониках, излучаемаяобъектом (а значит и эффективность обнаружения при прочих равных условиях), растет при увеличении мощности излучения локатора Ризл.., снижении частоты его излучения f и номера принимаемой гармоники N. Кроме того, чем ниже частота из- лучения локатора, тем меньшие значения имеют коэффициенты затухания K1, K2, что также ведет к увеличению мощности сигнала от объекта. Существенным отличием нелинейной локации от классического наблюдения (обнаружения) объектов с активным ответом является прямое преобразование па- дающей на объект энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. В связи с этим модель радиолокационного наблюдения (обнаружения) в усло- виях 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 коэффици- ента нелинейного преобразования (ξN << 1) и зависимость его от частоты и мощно- сти зондирующего сигнала локатора. Определим понятие нелинейного объекта. Нелинейным объектом называется объект, обладающий нелинейной вольт- амперной характеристикой (ВАХ) (рис.1). К ним относятся диоды, транзисторы, мик- росхемы, контакты металл-окисел-металл (МОМ-диод). К простейшему нестабиль- ному МОМ-диоду относится и классическая двуокись железа - ржавчина. Специаль- но созданные МОМ-диоды до середины 60-х годов использовались как детекторные диоды сантиметрового и миллиметрового диапазонов. 7 ВАХ любого нелинейного элемента разлагается в ряд Тейлора в виде апрокси- мирующего степенного полинома. Тогда выходной ток на воздействие гармоническо- го входного сигнала будет иметь вид:  где is(t) - входной сигнал на нелинейном элементеИз (2) следует, что за счет нелинейности ВАХ в выходном сигнале за счет де- тектирования появляется постоянная составляющая e0, основная гармоника с ам- плитудой, умноженной на коэффициент a и высшие гармоники основной частоты, амплитуды которых пропорциональны соответствующим коэффициентам. Опреде- лим физическое понятие этих коэффициентов. Из [6] следует, что a есть крутизна ВАХ в рабочей точке.  Коэффициенты β, γ являются соответственно первой и второй производнымиот крутизны ВАХ в рабочей точке Е0. Большинство полупроводниковых приборов, используемых в радиоэлектронных устройствах съема информации - транзисторы, диоды, микросхемы, обладают ха- рактеристиками, близкими к квадратичной. Что касается естественных МОМ-диодов - ржавых частей металла или их контактов, идентификация строится на предположе- нии кубической зависимости их ВАХ, когда в (2) отсутствуют производные четного порядка. Данное предположение не имеет под собой физических оснований, по- скольку даже искусственными технологическими приемами невозможно создать идеальные квадратичную или кубическую зависимости ВАХ. Естественный контакт двух металлов или ржавчина представляют собой эле- мент с механически нестабильным “p-n переходом”, а следовательно и с неста- бильной ВАХ, которая в данном случае сильно зависит от всех параметров окру- жающей среды, что автоматически ведет к такой же чувствительности к внешним параметрам и крутизны и остальных ее производных. Эффект затухания Большинство специалистов основываются на "эффекте затухания" при распо- знавании полупроводникового и ложного соединения. Этот эффект проиллюстриро- ван на рис.3. Если вы слушаете демодулированный аудиоотклик от настоящего по- лупроводника, то по мере приближения к нему антенны уровень шумов будет значи- тельно понижаться. И напротив, по мере удаления от него уровень шума начнет воз- растать и постепенно вернется к нормальному. Демодулированный аудиосигнал достигает наименьшего значения непосредственно над полупроводниковым соеди- нением и увеличивается до нормы в стороне от него. При приближении антенны НЛ к ложному соединению, аудиошум может уси- литься и достигнуть своего максимального значения непосредственно над ним или в некоторых случаях слегка уменьшиться. По мере удаления антенны НЛ аудиошум вернется к обычной норме. Уровень аудиошума Фундаментальная теория "эффекта затухания" достаточна проста. Если НЛ излучает немодулированный сигнал, то сигнал отклика на частотах гармоники также будет немодулированным и будет наблюдаться эффект затухания. Аудио демодуляция, необходимая для "эффекта затухания" может быть реали- зована как в НЛ с непрерывным так и с импульсным излучением (об этом будет ска- зано далее). Существует несколько моделей НЛ российского производства, в которых реа- лизован режим "20К", который основан на "эффекте затухания" и используется как способ распознавания типов соединений. Большинство ложных соединений легко распознаются проявляя "эффект затухания". В НЛ «Катран» используется обычная частотная модуляция непрерывного из- лучения, что является более эффективным способом, использующим "эффект зату- хания". Возможности применения аудиодемодуляции в НЛ При применении НЛ в поисковых мероприятиях возможно не только обнаруже- ние электронных устройств, но и их классификация при помощи аудио демодуляции. Так, например, при обнаружении некоторых записывающих устройств, можно услы- шать аудио сигнал записывающей головки. Более того, если НЛ дает хорошую ау- диодемодуляцию, то зачастую возможно прослушивание синхронизирующих им- пульсов при обнаружении видеокамер. Используя частотную демодуляцию, иногда возможно прослушать характерные аудио сигналы в электронных устройствах, воз- никающих из-за фазовых сдвигов. Поэтому, очень важно иметь достаточный опыт работы с ЛН для распознавания электронных устройств по характерным аудио сиг- налам. Кроме того, при обнаружении ложного соединения, можно без особого труда отличить его от полупроводника, прослушивая демодулированный аудио сигнал и одновременно производя на него физическое вибрационное воздействие, постуки- вая по стене кулаком или резиновым молотком. Ложное соединение отреагирует на подобное воздействие треском в наушниках. Чистый полупроводник при этом будет "молчать". Использование FM-модулированного тона значительно расширяет пространст- венный диапазон обнаружения НЛ, в том случае, если его приемный тракт обладает качественным аудиодемодулятором и хорошей изоляцией от передающего канала. Однако, этот режим тональной модуляции не позволяет различать полупроводники от ложных соединений. Импульсное или непрерывное излучение. В зависимости от режима излучения нелинейные локаторы делят на локаторы с непрерывным и импульсным излучением. Очевидно, что чем выше мощность излучения локатора, тем глубже проникает электромагнитная волна в облучаемую поверхность, и тем больше вероятность обнаружения помещенной в стену закладки. Но большая мощность излучения на высоких частотах оказывает вредное воздействие на оператора [53]. Для обеспечения его безопасности максимальная мощность излучения локатора в непрерывном режиме не должна превышать 3... 5 Вт [53]. При импульсном режиме мощность в импульсе достигает 300 Вт, однако, средняя мощность очень мала. Например, в локаторах серии "Циклон" максимальная средняя мощность составляет 0,12 Вт, а локаторе "Октава" - от 0,45 Вт до 1,5 Вт [53]. Современные нелинейные локаторы имеют возможность изменения мощности зондирующего сигнала. Например, в локаторе NJE - 400 (непрерывного излучения) мощность регулируется в пределах от 10 мВт до 1 Вт, в Super Broom Plus (непрерывного излучения) - от 1 мВт до 3 Вт, а в локаторе "Циклон-М" (импульсный) - от 80 до 250 Вт. Причем в некоторых локаторах (например, в Super Broom Plus) мощность излечения устанавливается (снижается) автоматически в зависимости от мощности сигнала, принимаемого на второй гармонике, и тем самым предотвращается перегрузка приемника. Приемники нелинейных локаторов с непрерывным излучением имеют чувствительность -120 ... 145 дБ, с импульсным - 110 ... 120 дБ и обеспечивают дальность обнаружения полупроводниковых элементов 0,5 ... 1 м и более. Максимальная глубина обнаружения объектов в маскирующей среде (строительных конструкциях) составляет десятки сантиметров. Например, локаторы серии "Циклон" обнаруживают радиоэлектронные изделия в железобетонных стенах толщиной до 50 см, в кирпичных и деревянных стенах - до 70 см [53]. В большинстве современных локаторов используются приемники с регулируемой чувствительностью. Например, в нелинейном локаторе "Энвис" диапазон регулировки чувствительности приемника составляет 45 дБ, а в NR-900Е - 50дБ. Точность определения местонахождения РЭУ составляет несколько сантиметров (например, в локаторах "Родник" и "Циклон" - 2 см). Радиолокаторы «Родник-ПМ», «Переход», «Энвис», Super Broom и др. обеспечивают дополнительный режим прослушивания модулированных сигналов локатора, отраженных от полупроводниковых элементов закладок. Принцип модуляции аналогичен модуляции при высокочастотном навязывании [57, 62]. Современные нелинейные локаторы имеют небольшие размеры, вес и позволяют работать как от электросети, так и от автономных источников питания (аккумуляторов). Например, у нелинейного локатора "Омега" вес приемо-передающего блока составляет 2 кг, а антенны со штангой - 0,8 кг. Вес нелинейного локатора "Циклон-М" в упаковке (кейсе) - 5,5 кг (при этом вес приемо-передающего блока составляет 1,2 кг). У нелинейного локатора Orion (NJE - 400) приемо-передающий блок и антенна закреплены на одной телескопической штанге, и общий вес конструкции не превышает 1,8 кг. Для удобства работы в этом локаторе используются беспроводные инфракрасные наушники. Ряд закладных устройств выполняются по МОП- технологии, в экранированных корпусах. Поэтому их обнаружение даже с использованием нелинейных локаторов затруднено, так как уровень переизлученных сигналов на второй и третьей гармониках незначителен. Большинство моделей НЛ, производимых в мире, используют непрерывное излучение (CW), т.е. излучают непрерывный узкополосный сигнал. Однако существуютНЛ, которые работают в импульсном режиме, что дает ряд преимуществ. Одно из них - меньшее потребление тока аккумуляторных батарей при хорошей конструкции передатчика. Таким образом, приемник принимает сигналы с частотой, приемлемой для восприятия человеческого слуха и зрения, в то время как передатчик выключается на значительные интервалы времени. Это позволяет уменьшить габариты и энергоемкость аккумуляторных батарей и источников питания. Кроме того, для использования эффекта затухания, описанного выше, НЛ непрерывного излучения обязательно должен иметь высококачественные малошумящие усилители в приемном тракте и хороший демодулятор для обеспечения качественного аудио. Еще одним методом аудиодемодуляции сигналов является импульсное излучение. Если частота следования импульсов выше порога частотного диапазона слышимости, то в этом случае для качественной демодуляции аудио сигнала достаточно простейшего АМ демодулятора.Не имеет значения, какой тип излучения использует НЛ импульсный или непрерывный, если он прост в обращении и обеспечивает хорошую аудио демодуляцию. НЛ «Катран» позволяет прослушать АМ и ЧM аудио, используя импульсное излучение для амплитудной демодуляции и непрерывное для частотной, что максимально использует "эффект затухания". Важно понимать, что при работе с НЛ имеют место 2 процесса: 1. Обнаружение нелинейного соединения. 2. Распознавание типа соединения (полупроводник или ложное). При работе локатор должен иметь не только значительную дальность обнару- жения, но и возможность регулировки его основных параметров (как правило мощ- ность излучения или, как в случае с «Катраном» уровень интеграции цифровой об- работки сигнала) для достижения необходимой глубины обнаружения в исследуе- мом материале. Однако, не менее важно использовать методы анализа демодулированного ау- дио, основанные на эффекте затухания и вибрационном физическом воздействии. Для максимальной надежности хороший НЛ должен иметь несколько способов опре- деления различия между настоящим полупроводником и ложным соединением. В «Катране» реализованы: режимы импульсного и непрерывного излучения, позволяющие достичь максимальной дальности обнаружения; сравнение уровней сигналов 2-й и 3-й гармоник; а также различные способы, позволяющие отличить по- лупроводник от ложного соединения. В «Циклоне» реализован импульсный многочастотный режим | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||