Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Аспирант Секунов А.В.

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета Высшая школа Экономики

(МИЭМ НИУ ВШЭ), Россия

Методы оценки стойкости систем видеонаблюдения

Расчетные методы.

Современные технические системы представляют собой сложные устройства, содержащие в своем составе высокоинтегрированные элементы, работающие при малых уровнях сигналов. Это делает их уязвимыми к воздействию мощных электромагнитных излучений и обуславливает необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение помехоустойчивости радиоэлектронной аппаратуры и ее компонентов.

Наиболее достоверным путем оценки стойкости системы видеонаблюдения(СВ) к воздействию электромагнитных полей являются экспериментальные исследования. Однако необходимые меры радиоэлектронной защиты могут быть предусмотрены уже на этапах проектирования и разработки радиоэлектронной аппаратуры и ее компонентов. Для этого на данных этапах проводятся расчеты с использованием математических моделей взаимодействия ЭМП с элементами СВ.

Каждый из методов наиболее хорошо подходит для решения определенного класса задач.

Так, методы геометрической и физической оптики могут быть использованы при расчете отклика больших антенн (например, радиоастрономических радаров) или поля вблизи больших рассеивающих объектов. Полученные результаты могут служить исходными данными при решении другой части задачи другим методом (в частности, FDTD).

Квазистатическое приближение (анализ на основе схем с сосредоточенными параметрами) и теория длинных линий могут применяться для расчета воздействия на конкретные устройства, при условии, что поперечные размеры линий передачи и размеры устройств малы. При этом должны быть заданы токи и напряжения на входах устройств и граничные условия для линий передачи.

Методы конечных элементов (МКЭ) эффективны для моделирования объектов, содержащих проводники и диэлектрики произвольной формы. Они могут использоваться при расчете воздействия на такие элементы СВ как, например, интегральные схемы. Однако при решении МКЭ 3-мерных задач имеются проблемы с моделированием незамкнутых геометрий.

Метод моментов нашел широкое применение в антенном анализе и при решении задач об электромагнитном рассеянии. Он особенно эффективен при моделировании проволочных антенн или проволок, прикрепленных к большим проводящим поверхностям. Недостатком является невозможность моделирования неоднородной среды и сложных объектов из различных материалов.

Методы FDTD и TLM, в которых расчет проводится непосредственно во временной области, незаменимы для неоднородных, нелинейных и частотнозависимых объектов или среды. Оба метода позволяют осуществлять параллельные вычисления на ЭВМ. К преимуществам метода FDTD относится также сравнительная простота расчетных соотношений и задания исходных данных. Основным из недостатков обоих методов является то, что объемные задачи, где имеются сложные мелкие детали, требуют больших вычислительных затрат. Однако этот недостаток компенсируется быстрым развитием вычислительной техники.

Экспериментальные методы.

Необходимо отметить, что любой реальный объект чрезвычайно сложен и имеет многочисленные внутренние связи. Поэтому вопрос о реальной стойкости СВ к воздействию сверхкороткого импульса электромагнитного поля (СКИ ЭМП) может быть решен только путем экспериментальных исследований с использованием излучателей СКИ ЭМП. Эти вопросы требуют дальнейшего развития и они рассмотрены в последующих главах диссертации.

Экспериментальная оценка стойкости осуществляется путем проведения испытаний (экспериментальных исследований) на моделирующих установках, создающих импульсные электромагнитные поля с характеристиками, соответствующими заданным требованиям или близким к ним. Экспериментальная оценка дает более достоверные результаты по сравнению с другими методами (полнее учитывает функциональные связи, конструктивные особенности), поэтому, если представляется возможность испытать объект в целом, то она является определяющей.

В настоящее время разработаны различные типы излучателей СКИ ЭМП. К ним относятся излучатели на основе: антенной решетки из ТЕМ рупоров и излучатели на основе параболического рефлектора.

Излучатель на основе антенной решетки из ТЕМ рупоров в общем случае состоит из возбуждающего генератора, импульсного коаксиального трансформатора на неоднородной линии, согласующего трансформатора-разветвителя (устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну) и ТЕМ рупорной антенной системы. Ситуация в решетке усложняется из-за взаимодействия рупоров. Однако это взаимодействие, в принципе, не влияет на фронт и амплитуду импульса, поскольку начинается только после момента t = ℓ/с, т.е. на спаде генерируемого сигнала поля. Если фронт возбуждающего импульса t достаточно велик, т.е. при отражении тока от раскрыва его значение изменяется несущественно, то принятая модель расчета становится близкой к реальности. При типичных размерах рупора (раскрыв 15 ´ 15 см, длина рупора 60 см) и типичном значении фронта ступенчатого импульса возбуждения (время нарастания от 0 до максимума 0,43 нс) для квадратной решетки из 64 рупоров (см.рис.) получено практически полное совпадение с расчетом (в пределах погрешности измерений) измеряемых значений фронта, амплитуды и длительности сигналов поля. Совпали также значения ширины диаграммы направленности в плоскостях Е и Н, измеренные по уменьшению амплитуды импульсов до уровня 0,7 от максимума. Таким образом, имеется расчетная база проектирования антенных решеток для излучения СКИ ЭМП с любым количеством ТЕМ рупоров.

Очевидно, что при увеличении числа рупоров и, соответственно, площади решетки диаграмма направленности сужается. Для испытаний приборов на стойкость к воздействию СКИ ЭМП в лабораторных условиях ширину диаграммы направленности целесообразно выбирать в пределах 20°–30°. Это позволит на расстояниях 2,5 – 5 м облучать достаточно равномерно объекты с максимальными характерными размерами 0,5 – 1,0 м.

Рис. 1. Излучатель СКИ ЭМП на основе антенной решетки из 64 ТЕМ рупоров с импульсным коаксиальным трансформатор на неоднородной

линии (генератор не показан)

Для согласования возбуждающего генератора с антенной решеткой используется импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии, разработанный ВНИИОФИ. Его отличительной особенностью является передача без искажений фронта порядка 0,1 нс при заданном входном сопротивлении и практически любом количестве выходных коаксиальных радиочастотных кабелей. Входное напряжение подобного трансформатора может составлять сотни кВ. При согласовании выхода генератора с базовой излучающей ТЕМ решеткой из четырех или шести рупоров используется также разработанное ВНИИОФИ устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну.

Излучатель на основе параболического рефлектора был впервые предложен К. Баумом в начале 90-х годов и оказался чрезвычайно удобным инструментом для формирования узких пучков СШП ЭМИ с шириной диаграммы в несколько градусов. Отечественный вариант СКИ ЭМП излучателя с параболическим рефлектором изложены в работах показан на рис. 2.

Проведенный анализ методов экспериментальной оценки показал, что определенные достижения в области воспроизведения параметров СКИ ЭМП имеются, особенно в части разработки излучателей и измерительных преобразователей, однако методы испытаний на стойкость радиотехнических объектов в субнаносекундной области практически отсутствуют.

Рис.2. Излучатель СКИ ЭМП на основе параболического рефлектора

(генератор не показан)

Расчетно-экспериментальные методы.

Расчетно-экспериментальная оценка стойкости аппаратуры предполагает сочетание экспериментальных и расчетных методов. В тех случаях, когда образец (ввиду его протяженности, больших габаритов) не представляется возможным испытать в целом, проводятся испытания составных частей изделия в ЭМП имитаторов, а реакция протяженных элементов изделия (кабельных линий, антенно-фидерных устройств и др.) оценивается расчетным путем. Расчетные данные используются при выборе нагрузок и генераторов напряжения (тока).

Другой разновидностью использования расчетно-экспериментального метода является оценка стойкости сложных систем и комплексов. При этом оценка стойкости их составных частей выполняется путем испытаний, а работоспособность всего комплекса оценивается с использованием математического моделирования, позволяющего учитывать функциональные связи составных частей при разных условиях применения аппаратуры.

Выбор метода оценки стойкости аппаратуры определяется этапом ее разработки. На ранних стадиях разработки применяются, как правило, расчетные методы и лабораторные испытания с применением генераторов ЭМП, генераторов тока и напряжения, на последующих — экспериментальные или расчетно-экспериментальные методы с использованием имитаторов ЭМП.

Оценка стойкости объекта к действию ЭМП включает в себя определение параметров электромагнитных полей, воздействующих на составные части, находящиеся в разных условиях (в полете, на открытой площадке, заглубленные в грунт, в сооружениях с электромагнитной экранировкой и др.), и последующую оценку воздействия этих ЭМП на работоспособность составных частей и объекта в целом. При этом расчетная оценка стойкости должна предшествовать экспериментальной оценке.

В процессе предварительного анализа учитываются и определяются: назначение объекта и его составных частей, решаемые ими задачи и особенности применения; сведения о режимах применения объекта (его составных частей), о размещении составных частей и их устройств в объекте с анализом особенностей экранирования, прокладки кабельных и проводных линий, антенно-фидерных устройств, контуров заземления; основные параметры составных частей, связь их с характеристиками аппаратуры, определяющими ее работоспособность; критерии работоспособности объекта и его составных частей с учетом воздействия полей ЭМИ; чувствительные к воздействию ЭМИ составные части объекта и возможные виды их отказов, приводящие к нарушению функционирования аппаратуры.

При анализе используются: технические условия и технические описания на объект и его составные части; функциональные и принципиальные схемы аппаратуры; конструкторские и монтажные чертежи; справочные данные о стойкости к ЭМП комплектующих изделий; результаты испытаний аналогов составных частей объекта и их элементов.

Таким образом, для достоверной оценки стойкости СВ к воздействию СКИ ЭМП требуется проведение комплекса исследований по разработке новых расчетных моделей оценки воздействия полей СКИ ЭМП на аппаратуру СВ, разработке методик испытаний и проведение испытаний, исследование эффективности применяемых конструктивных и схемных средств защиты аппаратуры в наносекундном временном диапазоне.

Литература:

1. Сахаров К.Ю. Излучатели сверхкоротких электромагнитных импульсов и методы измерений их параметров. Монография, Москва, 2006

2. Зеленин А.Н., Крохалев Д.И., Арчаков О.Н., Ольшевский А.Н. Состояние и направления совершенствования методов расчета воздействия СШП ЭМИ на технические средства. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.,2006, с. 22-32.

3. Туркин В. А. Разработка излучателей сверхкоротких электромагнитных импульсов для испытаний радиотехнической аппаратуры, кандидатская диссертация, МИЭМ ,2006

4. Мырова Л.О. ,Попов В.Д., Верхотуров В.И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: "Радио и связь", 1993.-268 с.