Исследование воздействия электромагнитного излучения на распределенные случайные антенны 

Представлены результаты исследования влияния уровней электромагнитного излучения (ЭМИ) от ТВ-центра на высотное здание учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ, необходимые для решения задачи, связанной с экологической безопасностью по ЭМИ различных радиоэлектронных средств (РЭС), дальнейшего исследования сосредоточенных и распределенных случайных антенн (СА и РСА) методом статистического имитационного моделирования (СИМ) и проектирования систем защиты конфиденциальной информации. Измерения уровней ЭМИ проводились на всех рабочих частотах радиосредств телецентра; на 1, 2, 5 и 9 этажах тринадцатиэтажного железобетонного здания, удаленного от башни телецентра на расстояние 550 м. с помощью стандартной измерительной аппаратуры. Рассмотрен способ возбуждения СА и РСА. Эксперимент позволил определить, на каких участках многоэтажного корпуса и какой уровень напряженности поля возбуждает РСА,  а также определить действующую длину для k-го участка РСА при возбуждении РСА в целом. 

Электромагнитные излучения различной частоты могут содержать информативные сигналы от защищаемого объекта при его функционировании. Источником электромагнитного излучения в большинстве случаев являются кабельные и проводные линии каналов передачи информации. В составе технических средств, использующих электромагнитную (ЭМ) энергию в разных областях науки и техники, часто встречаются излучатели ЭМ волн (источники ЭМ полей), не соответствующие либо традиционным схемам построения антенно- фидерных устройств (АФУ), либо условиям, в которых принято определять их рабочие характеристики. Такие антенны конструктивно входят в состав выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников, размещаются случайным образом в случайно-неоднородных средах или просто отсутствуют в явном виде в составе технических и радиоэлектронных средств. Множество таких типов излучателей  ЭМ  волн  и  источников  ЭМ  полей  можно  объединить     термином «случайные антенны» (СА).

Случайные антенны – класс антенно-фидерных устройств со случайными параметрами, размещенных случайным образом в случайно-неоднородных средах. Случайные антенны могут быть сосредоточенными и распределенными (РСА), классификация и примеры СА представлены в [1-4].

К числу РСА относятся кабели, провода, трубы и любые другие токопроводящие  элементы  зданий,  по  которым  содержащие конфиденциальную информацию сигналы (далее КИ-сигналы) могут распространяться  на значительные расстояния [2; 7]. Приводимые здесь результаты исследования РСА представляют интерес для решения двойной задачи: с одной стороны, это оценка экологической безопасности по фактору неионизирующего электромагнитного излучения (ЭМИ) обстановки внутри здания учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ, размещенного в г. Самаре вблизи мощного телевизионного и радиовещательного центра (далее ТВ-центра) [5-6], с другой стороны, это проектирование и анализ эффективности систем активной (некриптографической) защиты КИ [4; 8]. 

Рисунок 1 - Расположение башни ТВ-центра и корпуса учебно- лабораторного корпуса ПГУТИ в городской среде 

Рисунок 1 иллюстрирует взаимное расположение в городской среде ТВ- центра и 13-этажного здания учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ, в котором размещается достаточно большой комплекс устройств, соответствующих определению СА и РСА:

• сосредоточенные многоканальные СА в виде малогабаритных радиоэлектронных (РЭС) и других технических средств (абонентские терминалы, базовые станции и концентраторы систем сотовой связи и широкополосного радиодоступа; портативные радиостанции; оконечные устройства систем связи и сигнализации; блоки ЭВМ; экранированные камеры и корпуса аппаратуры; датчики систем охраны и управления; бытовая радиоэлектронная аппаратура; офисное оборудование и т.п.);
• многоканальные РСА в виде отдельных проводных линий связи в составе компьютерных и других сетей различного назначения;
• разветвленные РСА в виде систем проводов электропитания и заземления аппаратуры, оборудования оповещения и сигнализации;
• разветвленные РСА в виде систем металлических и металлопластиковых труб водоснабжения и центрального отопления;
• разветвленные РСА в виде металлических элементов несущих конструкций стен, потолков и полов помещений и т.д.

Источником ЭМИ на рисунке 1 является башня ТВ-центра высотой 180 м с размещенными на ней РЭС, общее число которых N >> 1. Антенна n-го РЭС ЭАn, где n [1; N], расположена на башне ТВ-центра на высоте Hn, как это показано на схеме рисунка 2. Если принять, что k-ый элемент РСА с координатами Rk и hk , где k [1; K]; K >> 1 возбуждается «по эфиру» ввиду наличия прямого прохождения ЭМ волн от ЭАn до него независимо от степени экранирования  элементами конструкции здания (крыша, стены и др.), то ЭМИ, возбуждающее РСА, следует считать неравномерным (неоднородным) в рассматриваемой пространственно- частотно-временной области. Для исследования структуры ЭМИ, возбуждающего РСА, использовались анализатор спектра Rode & Schwarz FS300 в комплекте с активной измерительной антенны АИ5-0, с помощью которых на частотах от 100 кГц до 300 МГц определялись уровни напряженности электрического поля Е (В/м) и на частотах от 300 МГц до 2,2 ГГц – уровни плотности потока мощности ППЭ (мкВт/см2). Чтобы получить по возможности полную картину ЭМ обстановки в здании, анализ уровней ЭМИ проводился в разных точках на разных этажах объекта. На первом этаже были выбраны точки 11 и 13, соответствующие наиболее близкому и наиболее удаленному от ТВ-центра холлах основного здания;  на втором этаже – точка 21 в максимально приближенном к ТВ-центру крыле библиотеки; на пятом и девятом этажах – точки 51, 52, 53 и 91, 92, 93, соответствующие ближнему холлу, середине коридора между учебно- лабораторными помещениями и удаленному от ТВ-центра холлу; а также точки  14– ближайшая остановка общественного транспорта и 13 – парадный вход в здания корпуса ПГУТИ.  

Оценка безопасности обстановки по ЭМИ производилась с использованием комплексного критерия безопасности (КБ), который при учете N РЭС, работающих в диапазонах ниже 300 МГц, и M РЭС, работающих в диапазонах выше 300 МГц, согласно   [6]   с   учетом   изменений   от   19.12.2007   рассчитывался   по формуле

допустимых уровней ЕПДУ и ППЭПДУ берутся из таблицы 1. Результаты исследования представлены в таблице 2 и в виде гистограмм для отдельных точек – на рисунке 3.

Таблица 1 - Нормы ПДУ согласно СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03

Таблица 2 - Экспериментально найденные значения КБ

Рисунок 3 - Гистограмма значений КБ для разных этажей здания

Рисунок 4 - Условия измерения уровня падающего поля UEпад 

Максимальный результат измерения соответствует точкам, расположенным ближе всего к ТВ-центру и на открытом пространстве. Это остановка городского транспорта (точка 14) и парадный вход здания ПГУТИ (точка 13). Однако полученные значения КБ < 1 во всех точках, поэтому можно сделать вывод о том, что с экологической точки зрения излучение ТВ-центра не оказывает недопустимо опасного воздействия на людей многоэтажном здании.

Исследование условий возбуждения РСА в целом. Возможны два режима возбуждения РСА: локальный (при подключении источника КИ-сигнала к k-му элементу РСА) и «в целом» – путем воздействия, например, сигнала ТВ-центра на всю РСА. Последний случай также представляет практический интерес, так как сигнал ТВ-центра, взаимодействуя с КИ-сигналом, способен создавать в РСА каналы побочного ЭМ излучения и наводок (ПЭМИН). При проведении экспериментальных измерений в качестве РСА была выбрана система металлических и металлопластиковых труб центрального отопления, с которой уровни сигнала ТВ-центра в двух точках здания (13 и 51) снимались при помощи кольцевого ферритового токосъемника, выступающего в роли калиброванной магнитной антенны, и анализатора спектра FS300 производства Rode & Schwarz. При калибровке магнитной антенны в качестве эталонной измерительной антенны использовалась активная антенна АИ5-0. Считалось, что путем сопоставления между собой уровней сигнала ТВ-центра на выходе токосъемника, расположенного вблизи РСА и размещенного непосредственно на ней, можно определить уровень сигнала, возбуждающего РСА, а также действующую длину участка РСА, определяющую значение данного уровня. 

Таблица 3 - Измеренные значения отношений КРСА13,51 для многоэтажного здания

результаты представлены в таблице 3 и в виде графиков на рисунке 5. Коэффициент   калибровки   ферритового   токосъемника   принимался    равным КК фер(дБ )  = E0(дБ )  - UA(дБ ) ,  где  Е0(дБ)    –  напряженность  поля  ЭМИ,    измеренное эталонной измерительной антенной АИ5-0. Используемая кольцевая ферритовая измерительная    антенна    [7]    на    более    высоких    частотах    заметно    теряет чувствительность и не обеспечивает надежную идентификацию исследуемых сигналов на уровне общего фона по ЭМИ в центре мегаполиса. 

Рисунок 5 - График значений коэффициентов эффективности РСА  действующую длину для k-го участка РСА lРК  при    возбужде 

аналогии с [7] следующим способом. Пусть ЭДС, возбуждающая k-ый элемент разветвленной РСА, есть ЭРК = lРК Е0, тогда соответствующее ей напряжение равняется

UPK  = ЭPK  KC   = lPK E0

1 + p2  + 2 p   cosj ,

где pH и φH – соответственно, модуль и фаза коэффициента отражения от нагрузки в линии, моделирующей РСА; и учтено, что возбуждение РСА и определение lРК «привязаны» к общей точке расположения k-го элемента РСА (в данном случае lm = 0, так как точки не разнесены на длину линейной РСА).

Соответствующий напряжению UРК ток в РСА равен IРК = UРК /ZB = ЭРК KC / ZB, создаваемая этим током напряженность поля в месте расположения измерительной антенны (ИА)

Е2  = IPK lPK  ZC  / l rm2 ,

где ZB и ZС – волновые сопротивления, соответственно, линии моделирующей РСА и пространства, окружающего РСА;

λ – длина волны;

rm2 – среднее (аналог эффективного значения) расстояние между РСА и ИА.

Поскольку  напряжение  на  выходе  согласованной  ИА,  для  которой  KC =1,

есть

UPK  = lA Е2.,

то, подставляя сюда выражения для IРК, получаем

UPK

2PK        A       C

ZC  / ZB

l rm2 , где UA  = lA  Е0, откуда в    итоге lPK  = (UPK  /UA ) (ZB l rm2  / KC  ZC ) .  Отсюда видно, что, помимо двух измеренных уровней напряжения: UPK и UА на выходе ИА, размещенной, соответственно, вблизи РСА (на расстоянии rm2) и на значительном удалении от нее, значение lРК зависит от детерминированных значений λ; ZС и неизвестных для разветвленной РСА случайных значений KC ; ZB , которые трудно доопределить, но в отношении которых можно использовать, например, возможности компьютерного метода статистического имитационного моделирования (СИМ) [4; 8].

В качестве примера рассмотрим частный случай: при KC = 3/2; ZC = 2 ZB /3; rm2 = λ/4 для участка РСА длиной λ при симметричном расположении ИА посередине   него.   Непосредственно   из   приведенных   соотношений    получаем

возбуждающей   участок   РСА   с   длиной   l   ≠   λ,   аналогичным   образом имеем Э(l) = Э(l) l / l . При этом на эквивалентной схеме РСА генераторы с ЭДС Э(l) должны располагаться на расстоянии порядка l друг от друга.

Ограниченный объем статистического материала в таблице 3 не позволяет сделать достоверные выводы о свойствах lРК , однако обращают на себя внимание, во-первых, близкие друг другу частотные зависимости КРСА13,51; дБ на разных этажах; во-вторых, разброс их значений на близких частотах. Это говорит о том, что результаты экспериментальных измерений, аналогичные представленным в таблице 3, недостаточны сами по себе, но могут быть использованы как исходные данные при исследовании разветвленной РСА методом СИМ.

Полученные результаты представляют собой часть базы данных, формируемой в интересах проектирования типовых систем защиты КИ коммерческого назначения, они могут быть использованы как исходные данные при исследовании разветвленной РСА методом СИМ [2; 7]. Многоканальные СА и РСА являются системами, сложность моделирования которых сопоставима с трудностями, возникающими при исследовании методом СИМ производственно- экономических объектов [8]. В то же время изучение условий их возбуждения, без которого невозможно проведение дальнейших исследований, является вполне реальной задачей. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь. №7, 2006. – С. 12-15.
2. Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Исследование случайных антенн методом статистического имитационного моделирования // Успехи современной радиоэлектроники. №7, 2008. – С. 3-41.
3. Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Рябушкин А.В. Исследование интермодуляционных характеристик случайных антенн // Труды МТУСИ. Том М.: ИД Медиа Паблишер, 2008. – C. 68-74.
4. Маслов О.Н. Применение метода статистического имитационного моделирования для исследования случайных антенн и проектирования систем активной защиты информации // Успехи современной радиоэлектроники. №6,– С. 42-55.
5. Маслов О.Н. Экологический риск и электромагнитная безопасность. М.: ИРИАС, 2004. – 330 с.
6. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. М.: Минздрав России, 2003.
7. Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Рябушкин А.В. Оценка эффективности распределенных случайных антенн // Антенны. №10 (149), 2009. – С. 62-69.
8. Маслов О.Н. О моделировании риска принятия решений в области обеспечения информационной безопасности // Защита информации. №4, 2011. – С. 16-20; №5, 2011. – С. 12-15.