Аспирант Секунов А.В.

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета Высшая школа Экономики

(МИЭМ НИУ ВШЭ), Россия

Методика исследования распространения СК ЭМИ в помещениях, где находится система видеонаблюдения

 

Целью настоящего эксперимента являлось исследование временной структуры импульсного электромагнитного поля, образующегося в типовом лабораторном помещении при излучении и распространении в нем сверхкороткого электромагнитного импульса (СК ЭМИ).

Практическая важность результатов такого исследования обусловлена тем, что не учет возможных эффектов распространения СК ЭМИ в помещениях, может привести к сбоям в работе автоматизированных систем в защищенном исполнении (АСЗИ), размещаемых в данных помещениях, но протестированных на устойчивость к силовым электромагнитным воздействиям, согласно ГОСТ 52863-2007 [1], в условиях безэховых камер. Переход от условий свободного пространства или безэховой камеры к условиям конкретного рабочего помещения, может привести к тому, что АСЗИ, выдержавшие испытания по заданному требованию жесткости, согласно [1], могут оказаться уязвимыми в местах своего функционирования в рабочих помещениях.

Кроме того, результаты данных исследований дадут в дальнейшем возможность разработать новые рекомендации по проведению испытаний          АСЗИ на устойчивость к преднамеренным электромагнитным воздействиям с учетом возможной типизации рабочих помещений по отношению к преобразованию в них сигналов СК ЭМИ, а также изменению требований к жесткости испытаний АСЗИ в условиях безэховых камер.

Для проведения исследований временной структуры поля СК ЭМИ в типовом рабочем помещении на базе полоскового датчика [2] и ТЕМ рупора [3] был разработан специальный комбинированный полосково-рупорный датчик, съем сигнала с которого осуществлялся через симметрированную дифференциальную кабельную линию. Симметрирование позволило существенно ослабить сигнал наводки на кабель. Коррекция переходной характеристики полосково-рупорного симметрированного (ПРС) датчика осуществлялась по полосковому датчику ИППЛ-5Л в эталонной установке импульсного электромагнитного поля, воспроизводящего ступенчатые ЭМИ с длительностью фронта до 20 пс и длительностью на полувысоте до 1 нс. При испытаниях получены следующие характеристики ПРС датчика: время нарастания переходной характеристики (ПХ) между уровнями 0,1-0,9 от установившегося значения составляет не более 70 пс; длительность ПХ по уровню 0,9 от установившегося значения составляет не менее 1 нс; коэффициент преобразования по полю 1,5х10~2В/(В/м).

Схема измерений параметров СК ЭМИ представлена на Рис. 1. Регистрация производилась с помощью 4-х канального цифрового осциллографа DPO 71604 с полосой 16 ГГц, размещенного в экранированной кабине. Для регистрации СК ЭМИ использовался ПРС датчик, ориентированный максимумом диаграммы направленности на источник излучения. Для запуска осциллографа использовался 50-омный рупорный датчик с раскрывом 0,1 ми длиной 0,3 м.

 

Рис. 1. Схема измерений параметров СК ЭМИ

 

В качестве источника импульсов использовался излучатель СК ЭМИ выполненный на основе ТЕМ-рупорной антенны апертурой 0,36м x 0,36 м, возбуждаемой генератором ступенчатых импульсов напряжения амплитудой 2 кВ с длительностью фронта около 100 пс.

Экспериментальные исследования эффектов, реализующихся при распространении СК ЭМИ в помещении, проводились в лабораторных помещениях ВНИИОФИ. Схема помещений и варианты размещения в них излучающей и измерительной аппаратуры, при различных вариантах опытов показаны на Рис. 2.

Методика измерений состояла в следующем. Первоначально была проведена проверка приемного ПРС датчика в условии отсутствия паразитных переотражений исходного сигнала. Для этого использовалась безэховая кахмера (трасса №1 - №1, Рис. 1). На Рис. 3 приведена осциллограмма импульса напряжения на выходе ПРС датчика при регистрации излучаемых тестовых СК импульсов вертикальной поляризации (полярность датчика соответствует поляризации СК ЭМИ), а на Рис. 3— осциллограмма этого же импульса при повороте ПРС датчика на 90° относительно исходного направления поляризации электромагнитной волны. На Рис. 3 и Рис. 4 указана временная область (выделено штрихами) появления более длинных, чем СК ЭМИ, сигналов отраженных от стенок безэховой камеры. При повороте ПРС датчика на 90° (Рис. 3) обнуления этого сигнала не происходит из-за несоответствия его поляризации излучаемых тестовых СК ЭМИ. Как показали дополнительные исследования, обнуление отраженного импульсного сигнала в безэховой камере происходит при повороте ПРС датчика на угол примерно 70°. По-видимому, это обусловлено наличием низкочастотного паразитного излучения тестового генератора, поляризация которого отлична от поляризации основного импульсного излучения.

 


Рис. 2. Схема помещений и расположения излучающей и измерительной аппаратуры

 


 

Рис. 3. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика при измерениях в безэховой камере (трасса №1-№1, Рис. 2). Полярность датчика соответствует поляризации СК ЭМИ, Кр=20 нс/дел

 

 

Рис. 4. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика при измерениях в безэховой камере (трасса №1-№1, Рис. 2). Датчик повернут на 90°, Кр= 20 нс/дел

 

После того, как было установлено отсутствие значимой наводки измеряемого сигнала на передающий кабель и регистратор, проводились исследования в лабораторном зале размером 7x8м (трасса № 2-№ 2, Рис. 2). Расстояние между источником СК ЭМИ и датчиком составляло 3 м. Результаты данных измерений представлены на Рис. 5 и Рис. 6. Из осциллограмм следует, что регистрируемый сигнал поля соответствует излученному сигналу источника СК ЭМИ и случайные вторичные переотраженные сигналы практически отсутствуют.

Рис. 5. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса №2—№2, Рис. 2). Полярность датчика соответствует поляризации СК ЭМИ, Кр = 20 нс/дел

Следующие измерения были проведены в лабораторном коридоре на большем расстоянии -7м (трасса № 3 - № 3, Рис. 2).

Следует отметить, что при данном варианте измерений металлические конструкции стен были расположены на расстоянии 1,5 от датчика и излучателя, а потолок коридора состоял из металлических реек типа «Амстронг». Результаты измерения для этого варианта приведены на рис. 7 и 8. На осциллограмме рис. 7 хорошо видно, что в суммарном сигнале поля, общей длительностью до 90-100 нc, присутствуют несколько (до 3-4) импульсов, соизмеримых с прямым сигналом от источника СК ЭМИ. При повороте ПРС датчика на 90° происходит обнуление принимаемого сигнала.

В следующем варианте измерений металлические конструкции стен были расположены на расстоянии 1,5 от датчика и излучателя, а потолок коридора состоял из металлических реек типа «Амстронг». Результаты измерения для этого варианта приведены на рис. 7 и 8. На осциллограмме рис. 7 хорошо видно, что в суммарном сигнале поля, общей длительностью до 90-100 нс, присутствуют несколько (до 3-4) импульсов, соизмеримых с прямым сигналом от источника СК ЭМИ. При повороте ПРС датчика на 90° происходит обнуление принимаемого сигнала.

В следующем варианте измерений (трасса № 4 - № 4, Рис. 2) источник СКЭМИ был установлен в соседней комнате в позицию № 4, а ПРС датчик осталсяв том же положении (точка № 3, 4, Рис. 2), но был ориентирован на сточникизлучения. Расстояние между ними составило более 20 м, при этомпрямая видимость отсутствовала. На рис. 9 и 10 приведены осциллограммы выходных сигналов датчика при различной ориентации его апертуры.

 

 

Рис. 6. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса № 2 — № 2, Рис. 2). Датчик повернут на 90°, Кр = 20 нс/дел

 

 

Рис. 7. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса № 3    - № 3, Рис. 2). Полярность датчика соответствует поляризации СК ЭМИ,Кр = 20 нс/дел

 

Рис. 8. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса № 3 — № 3, рисунок 2). Датчик повернут на 90°, Кр = 20 нс/дел

 

Результаты исследований по последней рассмотренной схеме показали, что при распространении СК ЭМИ на большие расстояния по неоднородной трассе (распространение через несколько помещений с расположенными в них металлическими конструкциями и оборудованием) в структуре принимаемого сверхкороткого сигнала происходит неконтролируемое изменение поляризации и амплитуды переотраженных импульсных сигналов. При этом из-за случайного наложения их друг на друга возможна ситуация, при которой амплитуда отдельного суммарного принимаемого импульса превосходит по величине прямой сигнал (Рис. 10). Длительность суммарного сигнала (трасса № 4—№4, Рис. 2) возрастает до 160—180 нс. При этом должно возрасти и число отдельных импульсных воздействий на облучаемую аппаратуру, а также и энергия этого воздействующего сложного суммарного сигнала.

Зафиксированное явление концентрации излученного электромагнитного поля СК ЭМИ при их распространении в объеме рабочего помещения объясняет увеличение восприимчивости ТС к воздействию СК ЭМИ при размещении их в помещении.

 

 

Рис. 9. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса № 4 — № 4, рис. 2). Полярность датчика соответствует поляризации СК ЭМИ, Кр = 20 нс/дел

 

Рис. 10. Осциллограмма импульса на выходе ПРС датчика (трасса № 4 — № 4, рисунок 2). Датчик повернут на 90°, Кр = 20 нс/дел

 

 

Выводы по исследованию экранированного помещения

1.     Проведено исследование временной структуры импульсного электромагнитного поля, образующегося в типовом лабораторном помещении при излучении и распространении в нем СК ЭМИ пико- и наносекундного диапазона длительностей. Возможность проведения данных исследований была обеспечена разработкой и применением специального комбинированного полосково-рупорного симметрированного датчика импульсных полей.

2.     Результаты исследований показывают, что исходный СК ЭМИ длительностью порядка 0,1 пс, в условиях распространения в здании трансформируется в сложный импульсный сигнал, длительность которого может доходить до 100-180 нс, а число импульсов поля соизмеримых по амплитуде с первоначальным может превышать 10 и более.

3.     Зафиксированный эффект увеличения эиерго-мощностного уровня суммарных сигналов, возникающих в помещениях при распространении в них СК ЭМИ, указывает на необходимость учета этого эффекта при разработке требований к проведению испытаний АСЗИ на устойчивость к силовым электромагнитным воздействиям и требований к имитаторам, используемым при проведении данных испытаний.

 

Литература:

1.     ГОСТ Р 52863-2007. Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагтгитньгм воздействиям. Общие требования. - М.: Стандартинформ, 2007. -34 с.

2.     Сахаров К.Ю., Соколов А.А., Туркин В.А., Михеев О.В. Средства измерений параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов // Технологии ЭМС. - 2006. -№2.-С. 17-21.

3.     Сахаров К.Ю., Соколов А.А., Туркин В.А., Михеев О.В., Алешко А.И., Корнев А.Ы. Датчик напряженности электрического поля сверхкоротких электромагнитных импульсов со сверхвысокой частотой повторения импульсов // Технологии ЭМС. -2006.-№2.-С. 22-26.