Основы инженерно-технической защиты информации

е) Тепловизоры

Наблюдению объектов в полной темноте (при отсутствии внешних источников ИК-света) на рассмотренных принципах мешают тепловые шумы све-тоэлектрических преобразователей. Снижение уровня шумов достигается применением малошумящих светочувствительных материалов и охлаждением преобразователей. Для надежного обнаружения теплового излучения объекта наблюдения на фоне шумов светоэлектрического преобразователя (обеспечения отношения сигнал/шум более 1) последний нуждается в охлаждении до весьма низких температур -- (-70...-200)°С.

Способы охлаждения светоэлектрического преобразователей реализуются в тепловизорах, типовая схема которого приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема тепловизора

В качестве светоэлектрических 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 жидкими газами в специальных сосудах и специальными микрогабаритными охлаждающими устройствами, в которых реализуются принципы термоэлектрического охлаждения, расширения газа в вакууме, термодинамические циклы Стирлинга и др.

Тепловизоры в настоящее время находят применение в качестве средств досмотровой техники и в военном деле. Например, теплотелевизионная система IRTIS-200 предназначена для исследования неоднородностей, возникающих при установке закладных устройств в стенах, измерения параметров тепловых следов и определения времени их проявления, для исследования тепловых потерь в строительстве и энергетике. Чувствительность ИК-камеры IRTIS-200 при охлаждении жидким азотом составляет 0.05°, с термоэлектрическим охлаждением 0.35°. Время сканирования кадра с разрешением 256х256 - не более 1.5 сек. В состав системы входит ПЭВМ типа Notebook. Размеры камеры 200х140х100 мм, вес не более 2 кг, энергопотребление - не более 1.5 Вт.

Военный 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. 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 [9].

Основными характеристиками технических средств наблюдения в ИК-диапазоне, влияющими 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.

Способы и средства наблюдения в радиодиапазоне

Радиолокационное и радиотеплолокационное наблюдение осуществляется в радиодиапазоне электромагнитных волн с помощью способов и средств радиолокации и радиотеплолокации.

Для получения радиолокационного изображения в радиолокаторе формируется зондирующий узкий, сканирующий 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 лучом "рисует" на экране изображение объекта. Принципы радиолокационного наблюдения показаны на рис.3.6.

Рис. 3.6. Принципы радиолокационного наблюдения

Так как в радиолокаторе для передачи и приема используется одна и та же антенна, то при излучении коммутатор подключает к антенне передатчик. а при приеме - приемник. Момент излучения фиксируется на индикаторе РЛС в качестве точки отсчета для измерения дальности нахождения объекта. Расстояние до объекта равно половине пути, который проходит электромагнитная волна за время между моментами излучения зондирующего сигнала и приема отраженного от объекта сигнала.

Радиолокационное изображение существенно отличается от изображения в оптическом диапазоне. Различие обусловлено разными способами получения изображения и свойствами отражающей поверхности объектов в оптическом и радиодиапазонах. Отражательная способность объекта или его элементов характеризуется эффективной площадью рассеяния.

Основными показателями радиолокационных средств наблюдения являются:

- 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 зависит от дальности распространения и поглощения ее в среде. Чем короче длина волны, 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 на поверхности объекта или местности. Пятно тем меньше, чем уже диаграмма направленности антенны радиолокатора. Ширина диаграммы направленности антенны, в свою очередь, обусловлена соотношением геометрических размеров конструкции антенны и длины волны. Кроме того, следует иметь в виду, что электромагнитная волна отражается от объекта или его деталей, если их размеры превышают длину волны. Если размеры их значительно меньше, то волна эти объекты огибает. В связи с этими соображениями наиболее широко в радиолокации применяется сантиметровый диапазон с тенденцией перехода в мм-диа-пазон.

Наземные радиолокаторы бывают 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.

Сверхдальние (загоризонтные) РЛС используют эффект, открытый в 60-е годы Н. И. Кабановым. Этот эффект состоит в распространении радиоволн в декаметровом диапазоне 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 о демаскирующих признаках объектов, принимаются и регистрируются приемником радиолокатора. Но нз-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: радиолокационные вдольфюзе-ляжные (РФА) и с синтезированной (искусственной) апертурой (РСА). Принцип работы радиолокаторов бокового обзора рассмотрены в [15].

Элементы антенны первого вида размещают на фюзеляже самолета с обеих его сторон или в подвесном контейнере-обтекателе. Благодаря такому расположению длина антенны может достигать 10-15 м. Такая антенна создает узкую (в доли градусов) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и широкую - в вертикальной. Антенна формирует один или два (при обзоре двух сторон) луча, направленных перпендикулярно линии полета самолета Vc (см. рис. 3.7).

Рис.3.7. Принципы работы радиолокатора бокового обзора

Излученный антенной РЛС БО радиоимпульс облучает участок местности шириной Дх и длиной Ду. При полете самолета по прямолинейной траектории луч РЛС перемещается вместе с самолетом, а на индикаторе РЛС формируется изображение полосы местности, параллельной траектории полета самолета.

Особенностью бокового обзора является невозможность просмотра полосы местности под самолетом и ухудшение линейного разрешения пропорционально увеличению боковой дальности от самолета.

Повышение угловой разрешающей способности РЛС с синтезированной апертурой антенны основано на формировании узкой диаграммы направленности по азимуту с помощью искусственно создаваемой антенной решетки. 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 элементов гипотетической антенной решетки. В результате запоминания сигналов, последовательно принимаемых антенной в n точках траектории полета самолета, и их когерентного суммирования достигается эффект, аналогичный приему п элементами физической антенной решетки. Размер решетки (синтезированной апертуры) соответствует длине участка траектории, на котором производится запоминание и когерентное суммирование сигналов. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости синтезированной антенны РЛС в п раз меньше ширины диаграммы физической антенны, установленной на самолете или КА. Используя этот метод, можно увеличить разрешающую способность РЛС по азимуту в 100 и более раз.

При наблюдении земной поверхности с помощью РЛС с РСА предъявляются жесткие требования к прямолинейности траектории полета самолета, к стабильности амплитудно-фазовых характеристик приемопередающего тракта РЛС и устройств обработки сигналов, параметров среды распространения и характеристик отражения радиоволн наблюдаемыми объектами. Для цифровой обработки сигналов требуется так же высокая производительность и большой объем памяти бортового компьютера.

Наряду с тенденцией уменьшения длины волны радиолокатора для повышения его разрешающей способности применяются РЛС в дециметровом и метровом диапазонах волн. Главное преимущество волн с более низкими частотами - существенное увеличение их проникающей способности. Для сухой почвы она может достигать нескольких метров. Это позволяет наблюдать сигналы, отраженные не только от поверхности Земли или объекта, но и различными неоднородностями в глубине. Появляются дополнительные демаскирующие признаки объектов и возможность их наблюдения при маскировке, например, естественной растительностью.

Прием слабых тепловых радиоизлучений материальных тел (объектов) обеспечивает пассивная радиолокация или радиотеплолокация. Мощность излучения объектов в радиодиапазоне с приемлемой погрешностью определяется по формуле Релея-Джинса, в соответствии с которой энергетическая плотность (мощность в Вт на м2) излучения пропорциональна температуре (в °К) и обратно пропорциональна квадрату длины волны.

Радиотеплолокационное наблюдение объектов осуществляется с помощью специальных радиоприемных устройств, называемых радиометрами. В радиометре производится суммирование по мощности тепловых радиоизлучений поверхности объекта наблюдения, детектирование сигнала, усиление видеосигнала и формирование радиотеплолокационного изображения на индикаторе (экране) аналогично формированию изображения на индикаторе радиолокационной станции. В связи с тем, что параметры антенны радиометра оказывают более существенное влияние на его дальность и разрешение, к антенне радиометра предъявляются более жесткие требования к максимуму коэффициента усиления и минимуму уровня боковых лепестков. Применяются зеркальные параболические, линзовые и многоэлементные антенны.

Для снижения собственных тепловых шумов во входных каскадах радиометра используются слабошумящне квантомеханические и параметрические усилители, различные способы компенсации помех в цепях радиометра и др.

Учитывая невысокие по сравнению с активной радиолокацией дальность и разрешение радиометров, возможности радиотеплолокации по добыванию видовых демаскирующих признаков весьма ограничены.

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 находиться;

- обнаружение и выделение сигналов, интересующих органы добывания;

- 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 перехвата приведена на рис. 3.8.

Типовой комплекс включает:

- приемные антенны;

- радиоприемник;

- анализатор технических характеристик сигналов;

- радиопеленгатор;

- регистрирующее устройство.

Антенна предназначена для преобразования электромагнитной волны в электрические сигналы, амплитуда, частота и фаза которых соответствует аналогичным характеристикам электромагнитной волны.

Рис. 3.8. Структура комплекса средств перехвата

В радиоприемнике производится поиск и селекция радиосигналов по частоте, усиление и демодуляция (детектирование) выделенных сигналов, усиление и обработка демодулированных (первичных) сигналов: речевых, цифровых данных, видеосигналов и т. д.

Для анализа радиосигналов после селекции и усиления они подаются на входы измерительной аппаратуры анализатора, определяющей параметры сигналов: частотные, временные, энергетические, виды модуляции, структуру кодов и др.

Радиопеленгатор предназначен для определения направления на источник излучения (пеленг) и его координат.

Анализатор и пеленгатор могут иметь собственные радиоприемники (или их элементы) и антенны (на рис. 3.8 эти варианты условно показаны пунктирными линиями).

Регистрирующее устройство обеспечивает запись сигналов для документирования и последующей обработки.

а) Антенны

Антенны представляют собой конструкцию из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобразования радиосигналов в электрические. Для обеспечения эффективного излучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, классификация которых представлена на рис. 3.9.

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, находящихся под более высоким напряжением.

Рис. 3.9. Классификация антенн

Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой антенны близка к Х/4, где ^ - длина рабочей волны. 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 эффективность. Поданным [16] укорочение антенны в 2 раза уменьшает эффективность до 60%, в 5 раз (до 50 см) - до 10%, а эффективность 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 собой графическое изображение уровня излучаемого и 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

Диаграммы направленности 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, проведенными из начала полярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине максимальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигнала 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=4рSэфл2,

где Sэф - эффективная площадь зеркала антенны;

л - длина электромагнитной волны.

Для линейных антенн (например, вибраторов) КУ характеризуется действующей высотой или длиной ha=Ea/E, где Eа - 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)%, у диапазонных антенн коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкодиапазонных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более [10].

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) нужного радиосигнала;

- усиление выделенного сигнала;

- 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 сигнал на входе приемника (выходе антенны) селектируется и усиливается без изменения его частоты. 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 многозвенных LC - элементов или реализуются с использованием пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов (в пьезоэлектрических и электромеханических фильтрах).

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 малошумящих 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 (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Структурная схема супергетеродинного приемника

Усиление и селекция сигналов после преобразования выполняются на промежуточной частоте. Для постоянной промежуточной частоты задачи по обеспечению высокой избирательности и чувствительности решаются проще и лучше.

Преобразователь частоты состоит их гетеродина и смесителя. Гетеродин представляет собой перестраиваемый вручную или автоматически высокочастотный генератор гармонического колебания с частотой, отличающейся от частоты принимаемого сигнала на величину промежуточной частоты. Процесс преобразования частоты происходит в смесителе, основу которого составляет нелинейный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, радиолампа). На него поступают принимаемый сигнал с частотой fc и гармонический сигнал гетеродина с частотой fr. На выходе смесителя возникает множество комбинаций гармоник принимаемого сигнала и колебаний гетеродина, в том числе на промежуточной частоте fn=fc-fr. Селективные фильтры усилителя промежуточной частоты пропускают только сигналы промежуточной частоты, которые усиливаются до величины, необходимой для нормальной работы детектора.

Однако супергетеродинному приемнику присущ ряд недостатков, вызванных процессом преобразования частоты. Основной из них состоит в том, что фильтры усилителя промежуточной частоты пропускают не только полезные сигналы, частота которых равна fc=fr+fn, но и ложные с частотой 1л=fr-fn, симметричной ("зеркальной") по отношению к частоте гетеродина fp Помехи на "зеркальной" частоте ослабляются путем двойного или даже тройного преобразования частот в супергетеродинном приемнике. Промежуточная частота каждого последующего преобразования понижается. В результате этого первую промежуточную частоту можно без ущерба для избирательности приемника выбрать достаточно высокой. При больших значениях промежуточной частоты "зеркальная" частота существенно отличается от сигнала и подавляется входными фильтрами радиоприемника.

Возможности радиоприемника определяются следующими техническими характеристиками:

- диапазоном принимаемых частот;

- чувствительностью;

- избирательностью;

- динамическим диапазоном;

- качеством воспроизведения принимаемого сигнала;

- эксплуатационными параметрами.

Диапазон принимаемых частот обеспечивается шириной полосы пропускания селективных элементов входных фильтров и интервалом частот гетеродина. Настройка приемника на нужный диапазон или поддиапазон частот производится путем переключения элементов входных контуров и контура гетеродина, а настройка на частоту внутри диапазона (поддиапазона) - путем изменения частоты гетеродина. В радиоприемниках все шире в качестве гетеродина используется устройство - синтезатор частот, создающее множество (сетку) гармонических колебаний на стабилизированных фиксированных частотах с интервалом, соответствующих шагу настройки частоты приемника.

Чувствительность радиоприемника оценивается минимальной мощностью или напряжением сигнала на его входе, при которой уровень сигнала и отношение сигнал/шум на выходе приемника обеспечивают нормальную работу оконечных устройств (индикации и регистрации). Такая чувствительность называется реальной. Предельная чувствительность соответствует мощности (напряжения) входного сигнала, равного мощности (напряжению) шумов входных цепей радиоприемника. Информация полезного сигнала мощностью менее мощности шумов радиоприемника настолько сильно ими искажается, что передача информации возможна только при кодировании ее специальными помехоустойчивыми кодами.

В диапазонах дециметровых и более коротких волн чувствительность измеряют в ваттах или децибелах по отношению к уровню в 1 мВт (дБм), в спектральной плотности в Вт/Гц или децибелах (по отношению к Вт/Гц), на метровых и более длинных - в микровольтах (мкВ). Реальная чувствительность современных профессиональных супергетеродинных приемников дециметровых и сантиметровых волн составляет 10-12 - 10-15 Вт или -180...-200 дБ по отношению к Вт/Гц, приемников метровых и более длинных волн - 0.1-10 мкВ.

Избирательность приемника оценивается параметрами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) его селективных цепей, определяющей зависимость коэффициента усиления приемного тракта от частоты. Избирательность приемника максимальная, когда его амплитудно-частотная характеристика повторяет форму спектра принимаемого сигнала. В этом случае будут приняты все его спектральные составляющие, но не пропущены спектральные составляющие других сигналов (помех). Практически реализовать это требование чрезвычайно трудно, так как спектр сигналов с различной информацией имеет изрезанную постоянно меняющуюся форму и существуют большие технически проблемы при формировании амплитудно-частотной характеристики сложной заданной формы. В качестве идеальной АЧХ рассматривается П-образная форма с шириной, равной средней ширине спектра сигнала.

Избирательность реального приемника оценивается двумя основными показателями: шириной полосы пропускания и коэффициентом прямоугольности АЧХ радиоприемника, реальная форма которой имеет колоколообразный вид.

Ширина полосы пропускания измеряется на уровне 0.7 по напряжению, а коэффициент прямоугольности оценивается отношением полосы пропускания на уровне 0.1 к полосе пропускания на уровне 0.7. Чем более пологой является АЧХ радиоприемника, тем шире полоса пропускания на уровне 0.1 по отношению к уровню 0.7 и тем больше величина коэффициента прямоугольности. Коэффициент пропускания позволяет количественно оценить пологий характер амплитудно-частотной характеристики радиоприемника. Чем ближе коэффициент прямоугольности АЧХ к 1, тем круче ее скаты и тем меньше помех "пролезет" по краям полосы пропускания. С целью уменьшения мощности помех, прошедших в тракт приемника, ширину его полосы пропускания устанавливают соответствующей ширине спектра сигнала. В приемниках для приема сигналов, существенно отличающихся по ширине, например, речи и телеграфа, ширину полос пропускания различных селективных цепей изменяют путем коммутации селективных элементов (катушек индуктивности, конденсаторов).

Так как активные элементы усилительных каскадов радиоприемника (транзисторы, диоды и др.) имеют достаточно узкий интервал значений входных сигналов, при которых обеспечивается их линейное усиление, то при обработке сигналов с амплитудой вне этих интервалов возникают их нелинейные искажения и, следовательно, искажение информации. Возможность приемника принимать радиосигналы различной мощности характеризуется его динамическим диапазоном. Величина динамического диапазона оценивается отношением в децибелах максимального уровня к минимальному уровню принимаемого сигнала.

Для повышения динамического диапазона в современных радиоприемниках применяется устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) приемного тракта, изменяющего его коэффициент усиления в соответствии с уровнем принимаемого сигнала.

Несоответствие амплитудно-частотной и фазовой характеристик, динамического диапазона радиоприемника текущим характеристикам сигнала приводят к его частотным, фазовым и нелинейным искажениям и потере информации.

Частотные искажения вызываются подавлением или изменениями составляющих спектра входного сигнала. Из-за частотных искажений сигнал на входе демодулятора приобретает форму, отличающуюся от входной.

Фазовые искажения сигнала возникают из-за нарушений фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при прохождении его цепям тракта приемника.

Искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала дополнительных составляющих, отсутствующих во входном сигнале, называются нелинейные. Нелинейные искажения вызывают элементы радиоприемника, имеющие нелинейную зависимость между выходом и входом. Они возникают при превышении отношения значений максимального и минимального напряжений сигнала на входе приемника его динамическому диапазону. Эти виды искажений приводят к изменению информационных параметров сигнала на входе демодулятора и, как следствие, к искажению информации после демодуляции.

Кроме указанных электрических характеристик возможности радиоприемников оцениваются также по их надежности, оперативности управления, видам электропитания и потребляемой мощности, масса-габаритным показателям.

Традиционные аналоговые радиоприемники постепенно вытесняются цифровыми, в которых сигнал преобразуется в цифровой вид с последующей его обработкой средствами вычислительной техники.

Большие возможности по перехвату радиосигналов в широком диапазоне частот предоставляют сканирующие приемники, некоторые типы которых приведены в табл. 3.6 [71, 89, 94-96].

Особенностью этих радиоприемников является возможность очень быстрой (электронной) перестройки в широком диапазоне частот. Кроме того, наиболее совершенные из сканеров содержат устройство "памяти", которое запоминает вводимые априори, а также в процессе поиска, частоты радиосигналов, не представляющие интерес для оператора. В результате такого запоминания резко сокращается время просмотра широкого диапазона частот. Во многих приемниках (AR-2700, AR-3000A, AR-5000, AR-8000, IC-R10, ICR-8500 и др.) предусмотрены интерфейсы сопряжения с ПЭВМ, что позволяет автоматизировать поиск сигналов по задаваемым признакам, в том числе использующих простые виды технического закрытия.

На основе сканирующих приемников и ПЭВМ созданы автоматизированные комплексы радиоконтроля. Примером такого комплекса может служить программно-аппаратный комплекс АРК-ПА2 (Авангард) для быстрого панорамного анализа радиочастотного спектра в диапазоне частот 25-2000 МГц [94]. Комплекс работает под управлением ПЭВМ, в реальном масштабе времени обеспечивает отображение на экране монитора амплитудно-частотных характеристик сигналов, их регистрацию на жесткий диск с возможностью последующей обработки. С помощью специального блока быстрого панорамного анализа (на основе быстрого преобразования Фурье) скорость анализа в интервале 3-30 МГц и точность результатов увеличена примерно в 100 раз. Управление работой комплекса осуществляется программами Sedif Plus Turbo или Sedif Pro Turbo. Программа позволяет воспроизвести в динамике радиоэлектронную обстановку за контролируемый период и выполнить практически любые измерения и статистическую обработку по каждому обнаруженному сигналу.

Таблица 3.6.

Тип приемника. фирма	Параметры
	Диапазон частот. МГц	Чувствительность, мкВ	Кол. каналов памяти	Размеры, мм	Масса, кг
AR-1500,AOR	0.5-1300	0.26-3	1000	55х152х40	0.39
AR-2700	0.5-1300	1.0-6.0	500	69х153х40	0.35
AR-3000A	0.1-2036	0.25-6	400	138х80х200	1.2
AR-5000	0.01-2600	0.14-1.25	1000	204х77х240	3.5
AR-8000	0.5-1900	0.26-6	1000	69х153х40	0.35
IC-Rl,ICOM	0.01-1300	0.4-6.3	100	49х102.5х35	0.28
IC-R100	0.1-1856	0.2-3.2	121	150х50х181	1.4
IC-R7100	25-2000	0.2-1.6	900	241х95х239	6
IC-R8500	0.1-2000	0.25-6.3	1000	287х112х309	7
IC-R9000	0.03-2000	0.16-6	1000	424х150х365	20
TRM-2309	20-1000	1	30	188х71х212	3
TRM-2310	20-1000	0.5	100	433х132х465	1.5
EEB-100,Miniport	20-1000	1--5	30	188х71х212	3
MVT-7100,Yupiteru	0.5-1650	0.5-10	1000	84х155х38	0.32
MVT-8000	0.1-1300	0.5-1.5	200	160х45х155	0.65

Примечание. Чувствительность приемников указана для отношения сигнал/шум примерно 10 дБ, максимальная - для узкополосных сигналов (NFM, USB. LSB), минимальная - для широкополосных (WFM)

Для перехвата радиосигналов со сложной структурой, применяемых в сотовой, пейджинговой и других видах мобильной связи, создаются специальные приемные комплексы. Например, система контроля использования служебных радиотелефонов сотовой связи стандарта NMT-450 ТТС-1 (фирма "Нелк") позволяет обнаруживать и сопровождать по частоте входящие и исходящие звонки абонентов сотовой связи, осуществлять слежение по частоте за каналом во время телефонного разговора, вести одновременно автоматическую запись разговора на диктофон и т. д. Комплекс реализован на ПЭВМ с встраиваемой в нее платой обработки сигналов и двух приемников AR-3000A. Специальное программное обеспечение позволяет контролировать до 100 телефонных номеров двух базовых станций [94]. Для стандартов AMPS и DAMPS разработаны комплексы ТТС-2 и ТСС-3 соответственно.

Система 4630-PAG-INT контролирует в диапазоне частот 25 МГц-2 ГГц сотни абонентов пейджинговой связи с выводом параметров пейджера на экран монитора и с записью информации в память ПЭВМ [89].

Для перехвата факсимильных передач применяются специальные комплексы типа 4600-FAX-INT, 4605-FAX-INT, ФАКС-02, FAX MANAGER II и др. Например, система 4600-FAX-INT обеспечивает автоматический перехват в реальном масштабе времени любого числа страниц, передаваемых по факсу со скоростью от 300 до 9600 бит/с, запись факсимильного сообщения и служебной информации, вывод их на печать [89].

Перехват наиболее информативных радиоизлучений усилителя и экрана монитора ПЭВМ возможен с помощью телевизионного приемника широкого применения с переделанными блоками строчной и кадровой синхронизации. Примером специального средства перехвата побочных излучений ПЭВМ в диапазоне частот 25-2000 МГц может служить комплекс 4625-COM-INT, который имеет 100 каналов памяти для накапливания перехваченной информации. После обработки информация восстанавливается в виде, отображаемом на экране монитора ПЭВМ. Комплекс обладает высокой чувствительностью (0.15 мкВ), имеет размеры 25х53х35 см и вес 18 кг [89]. Следует отметить, что хотя при перехвате радиоизлучений от иных источников побочных радиоизлучений ПЭВМ (системного блока, дисководов, принтера) не возникают серьезные проблемы, возможность добывания информации из перехваченных сигналов этих источников преувеличена. Достоверные факты о реализации такой потенциальной возможности отсутствуют.

Технические средства измерения признаков сигнала включают большой набор различных программно-аппаратных устройств и приборов, в том числе устройства панорамного обзора и анализа спектра, селективные вольтметры, измерители временных параметров дискретных сигналов, определители видов модуляции и кода и др.

Портативные анализаторы спектра при сравнительно небольших габаритах и весе (9.5-20 кг) позволяют принимать сигналы всех диапазонов частот (30 Гц-40 ГГц) и анализировать их тонкую структуру с высокой точностью. Погрешность измерения частоты сигнала составляет 15-210 Гц для частоты 1Гц и 1-1.2 кГц - для частоты 10 ГГц, а погрешность измерения амплитуды сигнала- 1-3 дБ. Например, цифровые анализаторы спектра НР8561Е фирмы "Hewlett Packard" измеряют параметры сигнала в диапазоне частот 30 Гц-6.5 ГГц, а анализаторы спектра 2784 фирмы "Tektonix" - в диапазоне 9 кГц-40 ГГц [89].

Селективные микровольтметры позволяют измерять амплитуду с погрешностью 1 дБ и частоту с погрешностью 10-100 Гц в диапазоне частот до 1-2 ГГц. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 3.7.

Высокоэффективными и компактными средствами технического анализа являются специальные приборы контроля радиосвязи (радиотестеры). К ним относятся "Stabilock 4015" (1.45-1000 МГц), "Stabilock 4032" (2-1000 МГц), HP 8920 A/D (0.4-1000 МГц) и др. Чувствительность указанных приборов не более 2 мкВ, а вес 13, 18.5 и 20 кг соответственно [89].

Таблица 3.7.

Тип прибора	Диапазон частот, МГц	Чувствительность
SMV-8	26-1000	1 мкВ
SMV-11	0.01-30	0.1 мкВ
STV-401	26-300	2 мкв
ESH 2	0.009-30	-30 дБ/мкВ
ESV	20-1300	-10дБ/мкВ

В составе радиотестера конструктивно объединены различные устройства приема и анализа сигналов: анализатор спектра, генератор сигналов, запоминающий осциллограф, устройства демодуляции и декодирования служебных сигналов, измеритель мощности сигналов, микропроцессор и др. Приборы имеют стандартные интерфейсы сопряжения с ПЭВМ и с принтером для регистрации результатов измерений.

Информативными признаками источника радиосигналов являются его координаты. Для определения координат применяется радиоприемник с поворачиваемой антенной, диаграмма направленности которой имеет острый максимум или минимум. Поворачивая антенну в направление достижения максимума (минимума) сигнала на выходе антенны, определяют направление на источник радиосигнала. Этот процесс называют пеленгованием, значения углов между направлениями на север и источник - пеленгами, а средство для пеленгования ~ радиопеленгатором или пеленгатором.

Координаты источника радиоизлучений на местности рассчитываются по двум или более пеленгам из разных точек или по одному пеленгу и дальности от пеленгатора до источника. Для расчета необходимы также координаты пеленгаторов.

Принципы пеленгования источника радиосигналов двумя пеленгаторами или одним подвижным из двух точек А и В иллюстрируются схемой на рис. 3.12.

Расстояние между двумя точками, из которых определяются пеленги, называется базой пеленгования. Координаты источника соответствуют точке пересечения пеленгов на топографической карте или рассчитываются в результате решения триангуляционной задачи.

Инструментальные ошибки пеленгаторов, изменения условий распространения радиоволн, влияние объектов вблизи источников радиосигналов, отражения от которых искажают электромагнитное поле у антенн пеленгаторов, погрешности считывания пеленгов вызывают систематические и случайные ошибки пеленгования. Угловые ошибки пеленгования образуют эллипс ошибок (см. рис. 3.12), очерчивающий границы площади на местности, внутри которых находится источник радио излучений.

Для повышения точности координат применяют антенны пеленгаторов с большей крутизной изменения диаграммы направленности от угла поворота антенны, уменьшают систематические ошибки пеленгаторов и погрешности измерений, при расчетах учитывают условия распространения радиоволн от источника до пеленгаторов, увеличивают количество пеленгов. Более высокую точность пеленгования обеспечивают фазовые методы пеленгования на основе сравнения фаз приходящихся от источника радиоволн на разнесенные в пространстве антенны пеленгаторов. Ошибки пеленгования измеряют в градусах, точность пеленгования - в процентах от дальности. Точность пеленгования в УКВ диапазонах на открытой местности составляет доли градусов (0.1-0.2°), точность определения координат в этих диапазонах - доли процентов, в КВ-диапазоне - (3-5)% от дальности. В городских условиях точность пеленгования ниже из-за влияния радиоволн, отраженных от зданий и автомобилей.

Рис. 3.12. Принципы пеленгования

Процессы перехвата включают также регистрацию (запись, запоминание) сигналов с добытой информацией. Регистрация сигналов производится путем аудио- и видеозаписи, записи на магнитные и оптические диски, на обычной, электрохимической, термочувствительной и светочувствительной бумаге, запоминания в устройствах полупроводниковой и других видов памяти, фотографирования изображений на экранах мониторов ПЭВМ, телевизионных приемников, осциллографов, спектроанализаторов.

3.3. Способы и средства подслушивания

При непосредственном подслушивании акустические сигналы, распространяющиеся от источника звука прямолинейно в воздухе, по воздухопроводам или через различные ограждения (двери, стены, окна и др.) и экраны, принимаются слуховой системой злоумышленника.

Слуховая система человека обеспечивает прием акустических сигналов в диапазоне звуковых (20-20000 Гц) частот, границы которого для разных людей колеблются в широких пределах и изменяются с возрастом. Верхний предел слышимости у молодых людей составляет 16-20 кГц, для пожилых людей он снижается в среднем до 12 кГц. Диапазон интенсивности воспринимаемых ухом звуков очень велик. На частоте 1000 Гц наиболее громкий звук, который человек может вынести, примерно в 1012 интенсивнее самого слабого воспринимаемого звука. Интенсивность звука при таком большом интервале уровней измеряют относительной мерой в дБ, определяемой относительно порога слышимости человеком звука на частоте 1000 Гц. Интенсивность звука человек оценивает как его громкость. Между психологическим восприятием громкости и физической интенсивностью звука нет прямого соответствия. Громкость звука зависит не только от его интенсивности, но и от частоты. При постоянной интенсивности звуки очень высокой и очень низкой частоты кажутся более тихими, чем звуки средней частоты. Порог слышимости слуховой системы на частоте 20 Гц выше порога в диапазоне 2000-5000 Гц примерно на 70 дБ, а на частоте 10000 Гц приблизительно на 15 дБ. Следовательно, максимальная дальность непосредственного подслушивания изменяется в широких пределах в зависимости от спектра звуков говорящего человека.

Уши человека плохо приспособлены для восприятия структурных звуков, распространяющихся в твердой среде. С этой целью используются устройства - стетоскопы, которые передают колебания поверхности твердой среды распространения в слуховые проходы ушей человека. Стетоскопы широко применяются в медицинской практике для прослушивания звуков в теле человека, Они представляет собой один или два гибких звукопровода в виде резиновых или из других синтетических материалов трубок, соединенных с контактной площадкой и передающих звуковое колебание от поверхности твердого тела к ушам человека. Эти звукопроводы локализуют и направляют звуковую волну к ушам человека, а также изолируют ее от акустических помех в окружающем пространстве. Для добывания информации применяются стетоскопы, у которых площадка, контактирующая с твердой поверхностью твердой среды распространения, соединена с мембраной микрофона. Для прослушивания структурных звуков подобный акустоэлектрический преобразователь (датчик) стетоскопа прижимают или приклеивают к поверхности стены или трубы.

Основной недостаток непосредственного подслушивания - малая дальность, составляющая для речи средней (нормальной) громкости единицы и десятки метров в зависимости от уровня шума. На улице города дальность слышимости днем составляет всего несколько метров.

Подслушивание с помощью технических средств осуществляется путем:

- приема и прослушивания акустических сигналов, распространяющихся в воздухе, воде и твердых телах;

- прослушивания речи, выделяемой из перехваченных радио- и электрических сигналов функциональных каналов связи и из сигналов побочных излучений и наводок;

- применения лазерных систем подслушивания;

- использования закладных устройств;

- высокочастотного навязывания.

Конкретный метод подслушивания реализуется с использованием соответствующего технического средства. Для подслушивания применяют следующие технические средства:

- акустические приемники, в том числе с направленными микрофонами;

- приемники опасных сигналов;

- акустические закладные устройства;

- лазерные системы подслушивания;

- устройства подслушивания путем высокочастотного навязывания.

Акустические приемники обеспечивают селекцию акустических сигналов, распространяющихся в атмосфере, воде, твердых телах, преобразуют их в электрические сигналы, усиливают и обрабатывают электрические сигналы и преобразуют их в акустическую волну для восприятия информации слуховой системой человека. Кроме того, электрические сигналы с выхода приемника подаются на аудиомагнитофон для регистрации акустической информации.

Типовая структура акустического приемника приведена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Структурная схема акустического приемника

а) Микрофоны

Микрофон выполняет функцию акустоэлектрического преобразования и, в основном, определяет чувствительность и диапазон частот принимаемых акустических сигналов. Диаграмма направленности микрофона зависит от его конструкции.

В настоящее время созданы микрофоны, в которых используются для акустоэлектрических преобразований различные физические процессы. Классификация микрофонов приведена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Классификация микрофонов

Угольный микрофон представляет собой круглую коробочку с гранулированным древесным углем, закрываемую тонкой металлической упругой крышкой - мембраной. К электроду, укрепленному на дне коробочки, и мембране подается напряжение около 60 В, под действием которого в массе угольного порошка протекает электрический ток. Принцип работы угольного микрофона основан на изменении под действием акустической волны сопротивления угольного порошка, находящегося между мембраной и Неподвижным электродом. Акустическая волна приводит мембрану микрофона в колебательное движение, вследствие чего изменяется степень сжатия угольного порошка и площадь соприкосновения его гранул друг с другом. В результате этого сопротивление Порошка и сила протекающего через него тока изменяются в соответствии с громкостью звука, т. е. производится запись информации путем амплитудной модуляции электрического тока.

Номинальное сопротивление угольного микрофона зависит от зернистости и технологии обработки порошка, тока питания и других факторов. Это сопротивление может составлять у низкоомных микрофонов 35-65 Ом, среднеомных - 65-145 Ом и высокоомных - 145-300 Ом [17]. Угольные микрофоны имеют низкую стоимость, создают без дополнительного усилителя уровни сигналов, достаточные для передачи их на большие (десятки км) расстояния. Однако они узкополосные и нуждаются в мощном источнике тока. Используются в телефонной проводной связи.

Конструкция электродинамических микрофонов аналогична конструкции электродинамического громкоговорителя. Динамические микрофоны относительно просты, надежны в работе, могут работать в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям и широко применяются в различной звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуре.

В электромагнитном микрофоне в результате колебаний мембраны из ферромагнитного материала возникает в обмотке неподвижной катушки с сердечником, по которой протекает постоянный ток, эдс индукции, эквивалентная интенсивности звука.

Конденсаторный микрофон представляет собой капсюль, состоящий из двух параллельно расположенных пластин - электродов, один из которых массивный, другой - тонкая мембрана. Электроды образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними. К электродам подводится через резистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электродами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональна звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между обкладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько десятков вольт чувствительность микрофона достигает 10-20 мВ/Па.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, мембрана которого выполнена из полимерных материалов (смол), способных в сильном электрическом поле и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время. Такие материалы называют электретами. Мембрана из электрета металлизируется, между пластинами после заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко применяются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного подслушивания.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении эдс на поверхности пластинок из пьезоматериала, механически связанных с мембраной. Колебания мембраны под давлением акустической волны передаются пьезоэлектрической пластине, на поверхности которой возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

По направленности микрофоны разделяются на ненаправленные, двухсторонней и односторонней направленности. Направленность микрофона определяется по уровню сигнала на его выходе в зависимости от поворота микрофона по отношению к источнику акустической волны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ширина диаграммы направленности микрофона оценивается в градусах на уровне 0.5 (0.7) от максимальной мощности (амплитуды) электрического сигнала на его выходе. Чем уже ширина диаграммы направленности микрофона, тем меньше помех попадает на его мембрану из направлений, отличающихся от направления на источник акустического сигнала с информацией. Пространственное ограничение помех повышает отношение сигнал/помеха на мембране микрофона.

Частотные искажения при преобразовании акустической волны в электрический сигнал определяются неравномерностью частотной характеристики микрофона. Она описывается отклонением уровня спектральных составляющих звукового сигнала на выходе преобразователя по отношению к уровню спектральных составляющих входного сигнала.

Для добывания информации особый интерес представляют остронаправленные микрофоны, которые обеспечивают увеличение дальности подслушивания. Узкая диаграмма направленности микрофонов достигается за счет соответствующей конструкции микрофона, которую можно представить в виде акустической антенны с соответствующей диаграммой направленности. Такая диаграмма направленности формируется различными акустическими антеннами, содержащими плоскую, трубчатую и параболическую поверхности. За счет уменьшения ширины диаграммы направленности достигается повышение сигнал/шум на мембране микрофона на 10-20 дБ

...