17 января 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть пятая
Итак, часть, посвящённая измерениям электромагнитного поля.
Измерять напряжённость поля в проблематике ТЗИ нужно при проведении специальных исследований (выявлении ТКУИ) за счёт АЭП (ВЧ и НЧ), за счёт ВЧН и за счёт ВЧО. Причём необходимо как измерить сам сигнал, так и выявить (измерить) параметры его возможной паразитной модуляции речью. Причём с крайне низкими значениями коэффициента (индекса) модуляции. Это подразумевает необходимость высокой реальной чувствительности тракта измерения и очень низких уровней собственных шумов, включая низкие фазовые шумы.
Нужно сразу оговориться, что в огромном большинстве случаев измерять приходится не электромагнитное поле, а некое поле, у которого существуют электрическая и магнитная компоненты. Для классического электромагнитного, описываемого вектором Умова-Пойтинга, коэффициент пропорциональности между среднеквадратическими значениями этих компонент (напомним теорию, размерность этого коэффициента – «Ом», то есть это единицы сопротивления) в вакууме равен 377 Ом. В воздухе – чуть (несущественно) меньше, в ином диэлектрике – меньше, пропорционально относительной диэлектрической проницаемости этого диэлектрика. И всё это для «дальней зоны» излучения и только для неё. А подавляющая часть наших измерений выполняется в «ближней» или «промежуточной» зонах от излучателя. А в них, в зоне индукции, вышеприведённые соотношения нарушаются. Именно поэтому измерять приходится каждую из компонент раздельно.
В качестве основного (и единственного!) средства измерения применяются ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ. А таковым является «связка» из первичного преобразователя и вольтметра (селективного вольтметра). В качестве первичного преобразователя используется устройство, именуемое АНТЕННА (соответственно, электрическая и/или магнитная). Селективным вольтметром может быть ВОЛЬТМЕТР, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИЁМНИК или АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА. Шкала истинного измерителя напряжённости поля оцифрована в абсолютных или относительных единицах напряжённости поля – В/м и А/м (с учётом коэффициента передачи – «действующей высоты» первичного преобразователя).
Сегодняшним законодательством в области метрологии не возбраняется применение отдельной антенны и отдельного вольтметра (поверенных установленным порядком). После выполнения измерения напряжения на выходе антенны оператор (или некое ПО) учитывает «антенный коэффициент» на частоте измерения и рассчитывает напряжённость поля. В достаточно приличных приёмниках и/или анализаторах данные об антенном коэффициенте можно занести в память прибора и его показания будут уже в единицах напряжённости поля.
Измерения напряжённости поля в проблематике ТЗИ необходимо выполнять в диапазоне от десятков Гц до десятков ГГц. Одним прибором (это уже отмечалось ранее) это выполнять невозможно. Поэтому, обычно, рассматривают НЧ («речевой», от десятков Гц до десятков кГц) и ВЧ (всё остальное).
Поскольку о средствах измерения ВОЛЬТМЕТР, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИЁМНИК, АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА уже было сказано ранее более, чем достаточно, обратим основное внимание на первичные преобразователи – антенны.
Для измерения напряжённости электрического поля в диапазоне частот от Гц до 1 ГГц применяются (почти исключительно) симметричные диполи (и их различные модификации и комбинации).
В прошлые времена на частотах до 30 МГц применялись штыревые антенны (для электрической компоненты). Они измеряли только вертикальную составляющую поля. Кроме того, их штатные параметры выполнялись только при их размещении на достаточно большой (порядка 2*2 м) проводящей поверхности, что не прибавляло удобства при измерениях. В практике СИ, в настоящее время, штыревые антенны не применяются.
На более высоких частотах, обычно, применяются рупорные антенны. Для измерения магнитной компоненты в диапазоне частот от десятков Гц до первой сотни МГц применяются экранированные рамки и их модификации. Если в антенну встроен усилительное (или усилительно-корректирующее) устройство, то такая антенна именуется активной. Учитывая огромный частотный диапазон, приведённый выше, перекрыть его одной антенной невозможно. Поэтому разработчики стараются только минимизировать количество моделей, перекрывающих весь диапазон. И, чем уже рабочий диапазон антенны, чем больше антенн понадобится для измерений во всём диапазоне, тем лучше будут показатели каждой из антенн. Чем более широкополосна антенна – тем менее она чувствительна. Это правило исключений не имеет.
Кроме того очень серьёзным требованием к антеннам является ограничение их габаритов. В соответствии с требованиями методики размер рамки иди диполя «в раскрыве» не должен превышать 50 см. А в низкочастотном диапазоне чувствительность антенны прямо пропорциональна именно этому параметру.
Наиболее сложное положение с низкочастотными антеннами. Отечественных разработок на этот диапазон «раз, два и … обчёлся». Причём отвечающих ограничениям на размеры – и того меньше. Реально применяемые модели (АИР3-1, АИ4-1)имеют невысокую чувствительность (большой антенный коэффициент), ещё больше ограниченный заметными собственными шумами (это активные антенны, со встроенным усилителем – корректором).
Зарубежные разработки имеются. Однако они дороги и не все их параметры достаточно высоки для успешного применения. Кроме того, многие из имеющихся моделей отсутствуют в госреестре средств измерений и потребуются дополнительные затраты, чтобы они там появились.
Есть и ещё одно, важнейшее ограничение. Если измерения напряжённости поля ведётся в процессе СИ АЭП, СИ ВЧН или СИ ВЧО, то антенна оказывается в акустическом поле тест-сигнала. Следовательно, она не должна «микрофонить», в том числе и в виде паразитной модуляции принимаемого сигнала (см. предыдущую часть публикации). И вот по этому параметру, к сожалению, «проходит» крайне малое количество моделей антенн. Да и то только среднечастотных.
Тем не менее, назовём основных производителей и модели, применение которых возможно.
Хорошо известная фирма «ETS-Lindgrend» предлагает рамочные антенны на диапазон от 20 Гц до 30 МГц (модели серии 65хх и 76хх). Фирма «Schwarzbeck mess – elektronik» - рамочные антенны HFRA 5148?5162. Более чем хорошо известная фирма R&S выпускает небольшое количество, но очень высококачественных измерительных рамочных антенн (например, HM525). A.H. System, Inc, выпускает значительное количество моделей рамочных антенн серий SAS-xxx и EHA-xxx на частоты от 20 Гц до 60 МГц. Выпускает антенны и Shcnaffner - TESEQ Antennas. Информацию по конкретным моделям несложно найти в сети интернет. Часть перечисленных производителей хорошо представлены на Российском рынке. Диллеров некоторых придётся поискать.
Практически все названые фирмы предлагают пассивные антенны, которые можно применять, при необходимости, и как излучающие.
Отечественные производители на этом рынке представлены намного скромнее. Фактически, кроме немногих лицензиатов ФСТЭК РФ, которые производят достаточно специализированные антенны («Элерон» с серией антенн «АМУР»; «Гамма» с антеннами «Альбатрос») можно назвать только СКБ «Риап» (Н. Новгород, антенны серии П6-xx) и питерский ЛОНИР. Причём тех или иных претензий к антеннам как отечественных, так и зарубежных производителей достаточно.
Дипольные (электрические) антенны в НЧ диапазоне так же достаточно широко представлены у тех же производителей.
Что же касается частот от 30 МГц и выше (СЧ, ВЧ и СВЧ диапазоны), то число моделей дипольных, логопериодических, дискоконусных, спиральных (и т.д., и т.п.) антенн исчисляется сотнями. Приводить их тут бессмысленно, слишком много. Как и рупорных антенны на частоты свыше 1-2 ГГц. Основные производители указаны выше.
За крайне редкими исключениями все антенны имеют типовой 50-омный выход, без каких-либо проблем подключаются к входам типовых приёмников и/или анализаторов. Стоит только обратить внимание на разъёмы и кабели. Если приобретать всё отдельно, то об этом придётся заботиться самим. И самый типовой разъём типа «N» может стоить 50 рублей и 50 $. Причём в первом случае его КСВ Вам не гарантирует никто. Да и все параметры после пары месяцев эксплуатации тоже. Скупой платит не дважды, а, как правило – десятикратно, как минимум.
То же относится и к кабелям. Весьма важно погонное затухание, особенно на частотах свыше 1 ГГц. И так сигналы слабые… Эластичность и степень экранирования кабеля тоже важнейшие параметры. Причём эти два параметра, как правило, взаимозависимы и «противоположны». В общем, на кабели со стоимостью меньше 200 р. за метр смотреть просто не стоит. Нужны, как правило, кабели с двойной оплёткой (высокая степень экранирования), вспененым или фторопластовым диэлектриком и проводниками только из меди (малые потери!). Проводники желательно с серебрением и т.д.
Дополнительные требования к измерительному оборудованию предъявляет необходимость выполнения измерений реального затухания электромагнитного сигнала (функция, аналогичная измерениям затухания в линиях). Для выполнения таких измерений необходим источник тест-сигнала. Таким источником, обычно, является перестраиваемый генератор «синуса» (необходимой мощности, порядка 1-10 Вт) и излучающие антенны (магнитная и электрические). В качестве генератора могут быть применены десятки моделей любых производителей, особенно учитывая, что в соответствии с установленной технологией измерения к самому генератору и излучающей антенне метрологических требований не предъявляется вообще. Поэтому выбор генератора совершенно произволен (только по выходной мощности и рабочему диапазону частот). Формально рабочий диапазон должен быть от 10 кГц до, минимум, 2 ГГц. Однако практика показывает, что измерения реального затухания на частотах ниже 100 кГц бывает необходимым крайне редко. Да и эффективность излучающих антенн общего применения на этих частотах крайне низка, а при малом тест-сигнале и затухание можно измерить только относительно небольшое. Вообще практически все перечисленные электрические и магнитные антенны пассивного типа могут быть применены как излучающие. Вопрос только в их эффективности и допустимой подводимой мощности. В ряде случаев весьма удобным является применение неизмерительных пассивных антенн, таких как, например, DA3000 (DA3100).
Как и в предыдущих разделах вновь упомяну о имеющихся на рынке автоматизированных и специализированных измерительных системах и комплексах. Во многих случаях они предпочтительнее. Поскольку уже многое их вышеперечисленного разработчиками учтено, согласовано и реализовано.
Сами комплексы были названы ранее, можно дать лишь самые общие сравнительные характеристики. Реального их сравнения, в практической работе на одном и том же объекте, с хронометражом и выявлением и фиксацией всех сбоев, недостатков и преимуществ не проводилось. Оценки же, выполненные конкретными людьми всегда в той или иной степени субъективны.
Поэтому упомянем лишь, что наибольшее распространение при контроле ТКУИ за счёт ПЭМИН получили комплекс «Навигатор» («НЭЛК») и система «Сигурд» (ЦБИ «МАСКОМ»). Последняя с 2010 года официально «взята на вооружение» ФСТЭК России. В системе «Сигурд» реализовано, с одной стороны, бoльшая степень автоматизации процессов обнаружения и опознавания сигналов и их измерений. С другой - система весьма многофункциональна и предоставляет исследователю много дополнительных возможностей. Система «Сигурд» дополняется для автоматизированного измерения реального затухания системой «Стентор».
В области ТКУИ речевой информации за счёт паразитной модуляции до настоящего времени присутствовала одна автоматизированная система «Талис» . Причём её измерительные возможности находятся на пределе технической реализации и аналогов не имеют. Совсем недавно был анонсированы комплексы «Гриф-АЭП» (НПП «Гамма») и «Аргонавт» («НЭЛК») со сходными функциями, но реально оценить его возможности, пока, не представилось.
В заключение хотелось бы сказать, что выбор комплекса основных и вспомогательных средств измерений для выполнения специальных исследований и оценки защищённости объектов информатизации задача очень многоплановая. Количество факторов, которые необходимо учесть, очень значительно, а цена просчётов весьма высока. Решать эти вопросы надо очень серьёзно. Весьма рекомендуется при отсутствии достаточного собственного опыта прибегнуть к услугам организаций, обеспечивающих профессиональное комплектование лабораторий.
В любом случае не имеет смысла ставить задачу абсолютно полного комплектования сразу. Базовый набор оборудования уже в процессе эксплуатации должен будет пополняться множеством мелочей. Причём состав этих «мелочей» определяется как конкретными решаемыми задачами, так и личными «пристрастиями» сотрудников. Работать должно быть ещё и удобно, причём конкретным исполнителям!
Продолжение следует
