CC BY
190
Поиск металлических предметов при помощи феррозондового магнитометрического градиентометра
Звежинский С.С., Парфенцев И.В.,МТУСИ
Магнитометрический поиск ценных (клады), индустриальных (трубы, колодцы) и опасных (прежде всего взрывоопасных) металлических предметов в толще укрывающих сред (грунт, вода, снег) позволяет, в том числе, снизить уровень угроз криминального и террористического характера, ввести в оборот ранее непригодные территории (места боев, военные полигоны и пр.), найти ценные исторические реликвии и т.д. Например, проблема эффективного поиска взрывоопасных предметов (ВОП) в мире признается одной из самых актуальных, из-за этой угрозы каждый год гибнут и становятся инвалидами тысячи людей.
В мире существует ограниченное множество методов обнаружения оставленных предметов (ОП). При наличии у них ферромагнитных оболочек или частей применяется пассивное магнитометрическое обнаружение, иначе — метод поиска магнитных аномалий (MAD — Magnetic Anomaly Detection). Для этого чаще всего используются феррозондовые градиентометры, которые по "популярности" уступает только активным металлоискателям, обладая и преимуществами [1]: 1) большая (в среднем в 2,5...3 раза) глубина поиска ОП в стальных ферромагнитных оболочках; 2) независимость функционирования от проводимости грунта, климатических условий, присутствия воды; 3) потенциальная возможность достоверного прогнозирования глубины залегания, типа и ориентации предмета в пространстве; 4) возможность объединения в мультисенсорную измерительную систему, переносную или перевозимую (на колесной базе), обеспечивая больший темп поиска вследствие расширения зоны обнаружения.
Мировым лидером-производителем данного вида специальной техники является Институт им. доктора Форстера (Foerster) [2]. По характеристикам к ним приближаются изделия нескольких компаний Германии, Великобритании и США, в последнее время образцы градиентометров появились и в других странах (Китай) [3]. Но только Foerster гарантирует устойчивую работоспособность своих изделий для всех грунтов, в том числе железистых (латериты, магматические породы).
Существует 3 режима поиска ОП с различной достижимой пороговой чувствительностью Бп, выражаемой в единицах магнитного поля:
• динамический, при скорости поиска до 1,5 м/с, Бп>20 нТл;
• квазистатический, или осторожного перемещения градиентометра (избегая по возможности раскачивания чувствительного модуля) со скоростью до 0,3 м/с, Бп ~ 5 нТл;
• статический, БП ~ 0,4 нТл (для лучших изделий).
Типично динамический режим применяется для поиска ОП "с ходу" (например, при действии саперов), квазистатический предназначен в основном для "неспешного" гуманитарного разминирования, поиска кладов. Статический режим используется для наиболее
точного картографирования локального участка с целью уточнения места залегания ферромагнитного ОП, представляющего интерес.
Современные феррозондовые градиентометры, которые используются для поиска ферромагнитных ОП, можно условно разделить на 3 группы:
1) двойного назначения, предназначенные, прежде всего, для поиска ВОП на глубинах до 10 м; они отличаются повышенной чувствительностью и устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, работоспособностью в широком диапазоне температур (как правило, не уже -35...+60°С), их управление рассчитано, в том числе и на малоквалифицированного оператора;
2) инструментальные, предназначенные преимущественно для научных или коммерческих целей — геофизики, археологии, поиске кладов и пр., отличающиеся наиболее высокой чувствительностью, суженным диапазоном рабочих температур, требующие высокой квалификации оператора и "осторожности" в обращении;
3) технологические, предназначенные для поиска металлических труб, колодцев и кабелей, отличающиеся низкой чувствительностью, но устойчивые к тряске, ударам и имеющие на порядок меньшую стоимость.
Дешевые технологические градиентометры выпускаются двумя американскими фирмами — Schontedt Instrument (модели GA-72Cd, GA^C^) и CST Corporation (модель Magna-Trak 102), их стоимость ~ 1000 долл. Фирма "АКА-Контроль" (г. Москва) производит градиентометр ФТ-601, предназначенный для поиска и локализации колодцев, труб и других ферромагнитных предметов [6,7]. Его чувствительность приблизительно на 2 порядка хуже, чем у современных изделий 1-й группы, что приводит к уменьшению е^/ЮО ~3 раза глубины обнаружения ферромагнитных предметов. Пользовательский интерфейс у них примитивный, запись результатов измерений отсутствует, диапазон рабочих температур -10..+40 оС. Стоимость современных зарубежных градиентометров 1-2 групп составляет от 5000 долл., полным требованиям военных стандартов на механические воздействия, климатику, пыль и радиацию удовлетворяют изделия Foerster, остальные — в той или иной степени [3].
"Сердцем" градиентометра является чувствительный модулы (ЧМ), который представляет собой 2 идентичных феррозонда (оси чувствительности совпадают), расположенных на расстоянии — базе а друг от друга. Типично ЧМ под собственным весом устанавливается вертикально и измеряет градиент вертикальной составляющей индукции магнитного поля от предмета поиска, поскольку градиент магнитного поля Земли (МПЗ) ничтожен. Предмет хорошо аппроксимируется магнитным диполем с моментом М, величина которого в общем случае прямо коррелированна с массой ферромагнитного вещества [1,5]. Поэтому, определив величину М, можно в принципе оценить размер ОП.
Возникновение данного класса специальной техники напрямую связано с прогрессом в измерительной технике в начале 70-х гг. прошлого века, прежде всего, в улучшении характеристик феррозондов, известных с 30-х гг. прошлого столетия [4]. Это позволило создать на их базе "жесткие" дифференциальные конструкции ЧМ с
весьма малыми погрешностями, что в первом приближении позволило устранить влияние постоянного МПЗ (~50 мкТл) и реализовать чувствительность порядка единиц нТл.
Первый "концептуальный" градиентометр FEREX 4.021 был разработан в Институте им. доктора Форстера в середине 70-х гг. прошлого века, принят на вооружение стран НАТО под аббревиатурой МК-26. В начале 90-х гг. прошлого столетия он появился на коммерческом рынке и на протяжении 20 лет являлся лучшим в мире. Его конструкция стала базовой для последующих аналогов всех других фирм и предусматривала 4 основные части: 1) трубчатый алюминиевый конструктив; 2) блок электронный (БЭ) с индикатором величины аномалии, переключателем режимов и кнопками управления; 3) ЧМ-труба из алюминия с размещенными на базе а = 40 см феррозондами; 4) модуль питания в виде трубки под разный диаметр элементов: батарей типа А373, Li-батарей; NiCd-аккумуляторов. Угловая погрешность не хуже 0,010 обеспечивалась запатентованной конструкцией ЧМ на базе натянутой струны.
Индикация магнитной аномалии осуществлялась по стрелочному индикатору, в случае превышения 20% от шкалы раздавался предупредительный звук через встроенный динамик или наушники. Разрешающая способность или пороговая чувствительность составляла 0,3 нТл, при этом максимальная глубина обнаружения ВОП составляла [5,6]:
• противопехотная мина — 1 м;
• противотанковая мина (масса 4,6 кг, диаметр 0,3 м) — 1,5 м;
• артиллерийский снаряд 76 мм — 2.2,5 м;
• авиабомба 250 и 500 кг — соответственно 4 м и 5 м.
В начале 90-х гг. прошлого века для FEREX 4.021 был разработан дополнительный цифровой блок — Datalogger (DLG), предназначенный для запоминания результатов измерений, их интерполяции и визуализации. Блок позволял привязывать результаты измерений к пространственным координатам с помощью GPS, с целью дальнейшего построения карты магнитных аномалий местности. Данные по RS-232 перекачивались с блока на компьютер со специализированным программным обеспечением (ПО) DATALINE. На экране монитора отображалась цветная карта аномалий, производилась оценка дипольного момента М, его ориентации и глубины залегания. С направлением связывался максимальный линейный размер, с величиной М — предполагаемый тип ОП. Принципиальной новинкой стало то, что к одному блоку DLG можно было подключать три или четыре ЧМ, увеличивая скорость поиска и расширяя зону обнаружения с типовых 0,75 ± 0,25 м до 2.2,5 м.
В середине 80-х годов прошлого столетия в ГДР был разработан аналог FEREX 4.021 — изделие OGF-L — с худшими параметрами (например, по чувствительности — в 15 раз), что приводило к уменьшению предельной глубины поиска в ~2 раза; масса и энергопотребление были соответственно в 1,5 и 3,5 раза больше. OGF-L вплоть до конца 90-х годов прошлого века стояло на вооружении Российской армии, позволял определять относительную величину аномалий по стрелочному индикатору, отклонение которого на 30 % вызывало звук в наушниках. Глубина поиска ОП составляла: ручная граната, противопехотная мина — до 0,5 м; мина до 80 мм — 1 м; артиллерийский снаряд, мина до 120 мм — 2 м; снаряды, авиабомбы 120 кг — до 3 м. В 2003 г. томский НИИ "Проект" разработал градиентометр "МБИ-П", который, по сути, также является аналогом FEREX 4.021, однако с меньшей чувствительностью и большими массогабаритами.
В середине 90-х гг. прошлого века Foerster выпустил на рынок новое концептуальное изделие — FEREX 4.032 (или МК-26 Mod.1), в 2002 г. осуществлена его последняя модификация [2]. Оно стало своего рода эталоном, по сравнению с FEREX 4.021 обеспечены:
меньший вес и энергопотребление; более высокая чувствительность благодаря большей базе ЧМ; большее время непрерывной работы; запись данных с 3-х или 4-х ЧМ одновременно с GPS; обнаружение близкорасположенных силовых кабелей (50 Гц 60 Гц) на уровне 1 мкТл; большая скорость измерений и емкость памяти; удобный графический интерфейс. В нем могут использоваться 2 вида ЧМ: 1) стандартный CON 650 с базой а = 65 см; 2) высокочувствительный CON 1600 с базой а = 160 см. Чувствительные модули сконструированы так, что не требуют никакой механической подстройки в течение всего срока службы.
Линейка изделий при неизменности чувствительности и массо-габаритов насчитывает 4 модели (FEREX 4.032 API, LCD — аналоговые регистраторы, FEREX 4.032 DLG, DLG GPS Cartography — цифровые). В "многомодульном" режиме к цифровому БЭ может подключаться 3 или 4 ЧМ, параллельно расположенных на типичном расстоянии 50 см друг относительно друга, при этом зона обнаружения расширяется соответственно до 1,5 и 2,0 м. Возможен вариант изделия с 4-я ЧМ на колесной базе. Штатное батарейное питание обеспечивает работоспособность FEREX 4.032 от 36 до 80 час в зависимости от модели.
Записанные в БЭ данные могут экспортироваться в компьютер, который с помощью специализированного ПО позволяет: воспроизводить цветокодированную карту магнитных аномалий (в различных форматах) и привязывать ее к цифровой карте местности; импортировать и налагать на карту любые графики в форматах .bmp, .jpg и др.; пространственно фильтровать результаты измерений, например, не учитывая мелкие ФМП вблизи поверхности грунта; обнаруживать значимые диполи и формировать их списки; определять местоположение, размер, глубину залегания возможного ОП. На боковых полях экрана компьютера выводится информация о МПЗ (склонение, наклонение) в этом месте, географических координатах, максимуме и минимуме сигнала относительно фона; могут быть построены 3D — модели карты, магнитуды вдоль линии перемещения оператора, гистограммы. Наилучшие результаты по времени поиска и точности карты магнитных аномалий получаются, если изделие используется в комплектации с 3-я или 4-я ЧМ.
Обнаружительная способность FEREX 4.032 с ЧМ типа CON 1600 весьма высока — глубина обнаружения авиабомб массой 500 кг достигает 10 м (по данным производителя), его основные характеристики представлены в табл.1.
В этой же таблице представлены характеристики аналогичных современных изделий двух немецких фирм — Ebinger и Vallon, которые производят аналогичные изделия, правда, с несколько худшими обнаружительными характеристиками, однако с меньшей ценой. Градиентометры "Magnex 120LW" и "EL1302" приняты на вооружение НАТО, по конструкции незначительно отличаются от FEREX 4.032 их основные характеристики приведены в табл.1. Данные с БЭ транслируются на ноутбук, на котором установлено специализированное ПО, обеспечивающее построение карты магнитных аномалий, определение местоположения, глубины залегания и величину диполя, пространственную фильтрацию. На карту может быть наложена реальная географическая карта, для привязки измерительных координат используется GPS. Для увеличения темпа поиска и точности измерений Ebinger и Vallon разработали 3-х, 4-х и 8-и модульные измерительные системы -переносные и на колесной базе. Типично расстояние между ЧМ составляет 0,5 м, ширина зоны чувствительности — 1,5.3 м.
Schontedt Instruments (США) производит относительно дешевый градиентометр GA-72Cd (цена около 1000 долл.). За ограниченные возможности и низкую чувствительность (на 2 порядка меньше чем у FEREX 4.032) он относится к группе технологических, тем не
менее, используется в армии США при поиске ВОП "с ходу". Значимые магнитные аномалии регистрируются с помощью: 1) звукового сигнала при превышении порога; 2) ЖК-дисплея, на котором показывается величина и полярность магнитуды.
Известные зарубежные производители переносной измерительной магнитометрической аппаратуры — Geoscаn Research и ВагНпдЬп Instruments (Великобритания) сосредоточили усилия, в основном, на научном и коммерческом секторе — области геофизических измерений, археологии и т.д По сравнению с изделиями двойного назначения, в инструментальных градиентометрах 'ТМ-256" и "Grad 601-1" обеспечивается узкий диапазон рабочих температур, предельно максимальная чувствительность (0,1 нТл), интерфейс — разносторонним, поэтому их стоимость даже выше. Данные с БЭ поступают на компьютер, на котором установлено мощное специализированное ПО, предназначенное для обработки результатов магнитометрических измерений. Оно позволяет строить 2Р и 3Р магнитные карты, визуализировать магнитуды проходов, увеличить отношение сигнал/шум применением фильтров, имеются инструменты статистического и спектрального анализа. Стоимость изделий очень высока и составляет в Европе ~20...25 тыс. долл., дополнительная стоимость ПО — около 2.3 тыс. долл.. На базе 2-х ЧМ разработаны сдвоенные градиентометр с расстоянием между модулями 1 м, что увеличивает зону обнаружения до 2 м..
Анализ принципов построения современных градиентометров позволяет выявить тенденции развития данного вида специальной техники.
1. Обязательным является накопление цифровых данных измерений, обработка их на компьютере со специализированным ПО
Основные ТТХ градиентометров
для построения карты магнитных аномалий. При этом за счет пространственной фильтрации, определения параметров диполей, подключения интеллекта опытного оператора лучше интерпретировать результаты поиска — уменьшить вероятность ложной тревоги, увеличить вероятность распознавания ОП, оценить глубину их залегания, ориентацию в грунте и габариты.
2. Чувствительный модуль является наиболее сложной ("ноу-хау"), технологически трудно изготавливаемой составной частью градиентометра, измерительная база составляет 0,5...1,0 м. Меньшая величина (Schontedt), хотя и делает изделие более эргономичным и мобильным (, приводит к уменьшению полезного сигнала. ЧМ с большей базой (Foerster, УзНоп — 160.170 см) приводит к трудностям по эксплуатации изделия "с ходу".
3. Наилучшим вариантом построения современного градиентометра, с целью увеличения темпа поиска и его максимальной информативности, является многомодульный, с расстоянием между ЧМ до 1,0 м. Трехмодульный вариант (Foerster) более предпочтителен, т.к. с наибольшей вероятностью определяет наличие ОП непосредственно по линии движения оператора. Он является компромиссом между обеспечением жесткости конструкции и малым весом (2х модульный, Ваг^дЬ^, и стремлением максимально расширить зону обнаружения (4-х модульный, Уз11оп).
4. Применяются алгоритмы электронной компенсации, пространственной фильтрации и др., обеспечивающие оператора полезной информацией по принятию решения в добавление к испытанным формам — стрелке прибора и величине магнитуды на ЖК -мониторе, а также звуку в наушниках. Оператор должен обладать достаточно высокой квалификацией, чтобы принимать решения в "по-
Таблица 1
войного назначения для поиска ОП
Производитель ТТХ Institute Dr. Forster (Reutlingen, Германия) ЕЫпцег (Германия) Vallon (Германия) НИИ «Проект» (г. Томск)
FEREX 4.032 API FEREX DLG FEREX GPS МАСЫЕХ 120 Vallon EL1302AI/D2 Vallon VET2 МБИ-П
Штатное питание элементы 4x LR20 (тип «D») 6х 1^20 6xLR14 («С») Лит. аккум. 8хА343 (А373)
Потр. мощн., Вт 1,5 2,5 2,5 3,3 2,3 2,8 0,6
Время непр. раб., час, не менее 60 36 36 40 20 40 30
Контроль магн. аномалии Стрелка, наушники, цифр. ЖК-дисплей, наушники, цифр, данные Стрелка прибора, звук, цифр. Стрелка /ЖК диспл.; звук, цифр, данные ЖК-дисп., наушники, цифр. дан. Стрелка, наушники
Масса, кг 4,2 4,6 4,9 4,2 4,0 7,4 8,0
ЧМ, габариты, см База, см CON 650 03,5х 85 65 / 160 04,3 х 60 43 04,2 х 60 50 03,5х 180 170 04,5х 180 50
Порог, чувств., нТл 0,2 0,5 0,25 0,3 -1,5
Раб. темп., "С -37...+70 -30...+55 -32...+60 -50...+50
Работа в желез, грунтах Без ограничений Ограничения Ограничение Нельзя
Установка нуля Автомат. Автомат. Автомат. Ручная
Калибр, во время работы Не требуется Да, авто Да, автоматическая Непрерывная
Регулировка чувствительности (диапазоны) 8 линейных (пределы 3; 10; 30; 100; 300; 1000; 3000; 10000 нТл), 1 логарифм. 6 линейных (10; 30; ... 3000 нТл/м) 8 линейных (2; 5; 20; 50; 200;500; 2000; 20000 нТл) 4 линейных (относительные 1:2:10:20)
Цена, $ (в США) 14000 |18000 -20000 -5000 9800/ 11100 -14000
Рис. 1. Модель обнаружения в трехмодульном градиентометре (А, В, С)
луавтоматическом" формате.
5. Отечественная технология производства феррозондов с воспроизводимыми характеристиками, их "центрирования" и калибровки не соответствует современному уровню техники. Следствием этого является то, что отечественный градиентометр МБИ-П имеет значимые недостатки, главные из которых — сложная и непрерывная (в том числе, механическая) подстройка и калибровка, относительность и большая погрешность измерений, отсутствие выхода цифровых данных.
Эти выводы обусловливают актуальность разработки отечественного переносного феррозондового градиентометра с тремя чувствительными модулями. Для этого необходима разработка и исследование его модели сигналообразования, она рассматривается в соответствии с рис.1. Начало декартовой системы координат выбрано на глубине, где находится дипольный магнитный момент М, плоскость ХОY параллельна плоскости поверхности грунта, колли-неарное перемещение чувствительных модулей "А", "В" и "С" происходит вдоль оси ОХ (измерительная база а, расстояние между модулями В). Диполь М располагается на расстоянии У0 от начала координат, его ориентация в пространстве задается углами а ив: Mx=Mcosа а«Р; MY = M sinа а«Р; Mz=Msinp.
Магнитное поле от диполя описывается известными соотношениями [12]. Сигнал с любого ЧМ есть разница в показаниях поля в местах размещения соответствующих феррозондов, сдвинутых по
вертикали на базу а. При этом удобно выразить все координаты модели обнаружения (рис. 1) в относителыном вице — долях а: х = Х/а, у = V'§/а, Ь = Н/а, Ь= В/а. В этом случае выражения для сигналов с 3-х ЧМ (А, В, С) имеют виц (1), N = 100 М/а3 , где N имеет размерносты нТл при [а] = м, [М] = Ам2.
Сигналы моделировались по уравнениям (1) при различных реалыных вариациях а и Р — в полном телесном угле; -1,5<у< 1,5; 0,2<Ь <10; 0,5 < Ь< 1,5 с целью: 1) поиска закономерностей сигналообразо-вания, чтобы! отличиты "малые" предметы-диполи (/И « 1) на неболышом расстоянии Ь < 1 от крупных предметов-диполей (/И > 1) на относителыно болышом расстоянии от ЧМ Ь > 1; 2) оптимизации соотношения между конструкционными параметрами а, Ь, чтобы! обеспечиты наилучший контраст между обнаружением по п.1).
Полученные предварительные результаты говорят о том, что имеются устойчивые отличительные признаки полезных сигналов (от больших диполей) и помех.
Литература
1. Звежинский С.С, Парфенцев И.В. Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов // Спецгехника и связь. — 2008. — № 2. — С. 8-17.
2. www.foerstergroup.de.
3. Metal detectors and PPE Catalogue2007. — Geneva International Centre for Humanitarian Demining. -- Geneva, Feb. 2007. — ISBN 2-940369-01-1. — 203 p. (www.gichd.org).
4. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 187 с.
5. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов. — М.: Арбат-ин-форм, 2004. — 144 с.
6. Арбузов СО. Магниточувствительные поисковые приборы//Специ-альная техника. — 2000. — № 6.
7. www.aka-control.ru.
8. www.ebingergmbh.com.
9. www.vallon.de.
10. www.geoscan-research.co.uk.
11. www.bartington.com.
12. Яроцкий ВА Методы обнаружения и определения местоположения объектов по их магнитному полю//Зарубежная радиоэлектроника. — 1984. — № 7. — С. 45-56.
A(x) :=N
sino 2 2 2 2n-(y + b)2-x2 2(h+ 1)2-(y + b)2-x2 " h h+1
5 5 +3 cos(P)[cos(a)x + sm(aX.]y + 6)] 5 5
Г2 2 2 2 Г 2 2 2 2 Г 2 2 2 2 Г 2 2 2 2
|x + h + (y + b) 1 x + (h+1) + (y + b) |x + h + (y + b) 1 x + (h+1) + (y + b)
B(x) := N
sin( в)
,,2 2 2 2h - y - x
(2,2 2)
Vx + h + y )
2 2 2 2- (h + 1)2 - y2 - x2
Г 2 .. ,.2 2
I x + (h + 1) + y
5
2
+3 cos(P)(cos(a)x + sm(a)j)
h
h + 1
_5 _5
2 2V Г 2 2 2 2
+ h2 + yv Ix2 + (h + 1)2 + y2
C(X) :=N
sii(P)
2 2 2 2n- (y - b)2-x2
5
2
2 (h +1)2 - (y - b)2-x2
Г22 2 Г 2 2 2
|x2+h2+(y - b)2 |x2+(h +1)2+(y - b)2
+3 cos(f))[cos(a);«: + sin(a)(_y - 6)]
h+ 1
2 2 2 Ix2+h2+ (y - b)2
2
Ix2+(h +1)2+ (y - b)2
2
5
Электромагнитная совместимость систем обеспечения физической защиты генерирующих комплексов
Шелухин О.И., Руднев А.Н., МТУСИ
Введение
В настоящее время работа систем управления электротехническими комплексами обеспечивается за счет внедрения современных систем обеспечения безопасности, которые могут функционировать при высоком уровне помех.
На крупных генерирующих комплексах ввод в строй новых мощностей осуществляется поэтапно, что определяет порядок оснащения комплексов системами обеспечения безопасности.
Ввод нового оборудования влечет за собой проведение дополнительных дорогостоящих исследований.
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры управления генерирующими комплексами и системами обеспечения безопасности стоит очень остро. Актуальность данного исследования заключается в разработке методики оценки ЭМС и рекомендаций по размещению оборудования, не требующего дополнительных измерений и аттестаций всего объекта в целом. При разработке методики оценки ЭМС систем обеспечения безопасности крупных комплексов и систем генерирования электроэнергии за основу были взяты методики Гостехкомиссии.
Разрабатываемая методика используется в следующих целях:
1) проведение оценки ЭМС, проверка защищенности технических средств и систем обработки, передача и хранение конфиденциальной информации путем определения возможных расстояний распространения информативных сигналов от основных технических средств и систем (ОТСС) и установления требуемого радиуса контролируемой зоны (КЗ);
2) проведение контроля защищенности технических средств, удовлетворяющих требованиям стандартов по электромагнитной совместимости (ГОСТ 22505-97, ГОСТ Р 50628-93);
3) выбор в пределах контролируемой зоны (при необходимости) оптимального места размещения технических средств и систем, удовлетворяющих требованиям стандартов по электромагнитной совместимости;
АРМ
4) ежегодный контролы состояния защиты конфиденциальной информации на объекте информатизации.
Объект испытаний
Наименование испытаний: испытания комплекса устройств защиты информации по требованиям безопасности информации и ЭМС. Объектом испытаний является комплекс устройств защиты информации (КУЗИ) "Гриф", циркулирующей в системах сбора и обработки данных о состоянии датчиков охраны ядерно- и радиационно-опасных объектов (рис. 1).
Операционной средой (ОС) функционирования устройства обеспечения безопасности "Гриф-Ц" является операционная система МБ РОБ версии 6.22; аппаратная платформа — ІВМ-совмести-мые ПЭВМ. Для функционирования программного обеспечения (ПО) необходим компьютер, оснащенный как минимум двумя портами последовательной передачи данных с интерфейсом RБ-232.
Устройства обеспечения безопасности "Гриф-К" разработаны на базе микроконтроллеров.
Испытания комплекса устройств обеспечения физзащиты проводятся на испытательном стенде с помощью программно-аппаратных средств, смонтированных в соответствии с требованиями эксплуатационной и конструкторской документации.
Испытательный стенд должен представлять собой специализированное автоматизированное рабочее место (АРМ) исследования программ и устройств, развернутое на платформе ІВМ РС, с характеристиками, не ниже следующих:
1) процессор ІПеІ Репііит III — 700 МГц;
2) оперативная память — 128 Мбайт;
3) жесткий диск — 10 Гбайт.
На АРМ должна быть установлена ОС МБ РОБ версии 6.22.
Методика проверки защищенности
При проведении сертификационных испытаний комплекса устройств защиты применяются следующие методы: экспертный анализ; функциональное тестирование; мониторинг функционирования; опытная эксплуатация.
Рис. 1. Схема включения комплекса защиты информации "Іриф"
Экспертный анализ предусматривает проверку соответствия изделий функциональным требованиям на основании оценки полноты и достаточности информации в представленных документах.
Функциональное тестирование (по методу тестирования "черного ящика") состоит в выполнении требуемых нормативной документацией проверок, которые реализуются путем пробного запуска (на различных сочетаниях входных тестовых данных) программных средств и наблюдения за их выполнением с помощью штатных средств изделий, а также контроль целостности системных ресурсов с помощью дополнительных инструментальных средств.
Мониторинг функционирования ПО состоит в регистрации и последующем автоматизированном анализе операций обращения к системным, программным и информационным ресурсам.
В процессе тестирования и опытной эксплуатации на стенде предприятия-изготовителя проводится регистрация и аудит системных журналов с помощью штатных средств изделий, а также с помощью дополнительных инструментальных средств на предмет влияния системы на безопасность сетевых ресурсов.
В ходе испытаний производится проверка соответствия реальным и декларируемым функциональным возможностям.
Контроль исходного состояния ПО включает в себя анализ и оценку исходных данных; проверку этих данных на наличие компьютерных вирусов; идентификацию объекта испытаний.
Анализ и оценка исходных данных заключается в проверке полноты представленных аппаратных и программных средств, исполняемых файлов и инсталляционных комплектов.
Идентификация объекта испытаний заключается в фиксации исходного состояния и сравнении полученных результатов с результатами, приведенными в документации.
Проверка считается выполненной, если функциональные возможности ПО, выявленные при его функциональном тестировании и опытной эксплуатации на технических средствах испытательного стенда, отвечающего техническим условиям на изделие, в эксплуатационных режимах работы с использованием условно реальной информации и тестирующих средств, соответствуют функциональным возможностям, описанным в документации на изделие.
Защита информации, циркулирующей в системах обработки данных, от получения ее возможным нарушителем в результате перехвата сигналов по каналу связи осуществляется следующим образом:
1) эксперт осуществляет запись открытой информации;
2) производится преобразование ее с помощью алгоритма защиты и передачу по каналу связи;
3) эксперт осуществляет запись последовательности, передаваемой по каналу связи.
Положительным результатом является совпадение преобразованных с помощью алгоритма защиты открытых данных и данных, передаваемых по каналу связи. Проверка корректности реализации системы физической защиты осуществляется по следующим критериям:
1) проверяется качество предъявляемой последовательности в соответствии с программой и методикой и математическим программным обеспечением;
2) с помощью средств операционной системы проверяется соответствие случайной последовательности открыггых данных и данных, передаваемых по каналу связи.
Эксперт осуществляет передачи без внешней защитной последовательности или при различных последовательностях на приемной и передающей сторонах. Положительным результатом является невозможность передачи без внешних защитных или при различных последовательностях на приемной и передающей сторонах.
Стирание из всех элементов памяти "Гриф-Ц" использованного объема защитной последовательности после завершения цикла опроса датчиков каждого концентратора производится путем сравнения элементов памяти до начала и после окончания цикла опроса концентратора. Положительным результатом является несовпадение областей элементов памяти.
Результаты экспериментальных исследований
Оценки ЭМС и защищенности систем обеспечения безопасности крупных комплексов и систем генерирования электроэнергии проводились на базе комплекса "Гриф" в следующих режимах работы:
1) режим вывода информации на экран монитора изделия "Гриф-Ц" и устройства генерации случайной последовательности;
2) режим обработки информации последовательным интерфейсом изделий "Гриф-Ц", "Гриф-К" и устройством генерации случайной последовательности;
3) режим ввода информации с клавиатуры изделия "Гриф-Ц" и с устройства генерации случайной последовательности.
Измерения проводились по электрической (Еі) и магнитной (Ні) составляющим КУЗИ отдельно. Результаты экспериментальных исследований приведены ниже на рисунках.
Измерения по электрической и магнитной составляющим электромагнитного поля проводились в полосе частот 9 кГц для диапазона 0,1-30 МГц и 120 кГц для диапазона свыше 30 МГц. Результаты измерений электрической составляющей электромагнитного поля в режиме вывода информации на экран монитора "Гриф-Ц" при работе технических средств в тестируемом и выключенном режиме приведены на рис. 2, а.
При исследовании изделия "Гриф-Ц" было установлено, что в режиме вывода информации на экран монитора на частотах 100 МГц побочное излучение в тестовом режиме в два раза выше, чем в выключенном, однако уже на частотах 300 МГц и выше уровни напряженности электромагнитного поля практически одинаковы. Этот факт позволяет сделать вывод: увеличение тактовой частоты процессора ПЭВМ до 300 МГц и выше практически не влияет на зону безопасного размещения средств информатизации. Исходя из данных, полученных в результате экспериментов на реальных объектах, можно рассчитать радиус необходимой контролируемой зоны.
Расчет показал, что для этапа вывода информации на экран монитора изделия "Гриф-Ц" при работе технических средств в различных режимах радиус требуемой контролируемой зоны должен быть не менее 3,8 м. В случае измерения магнитной составляющей электромагнитного поля радиус этой зоны должен быть не менее 1,8 м.
Рассмотрим режим обработки информации с использованием последовательного интерфейса при измерении электрической составляющей электромагнитного поля.
Зависимость уровней напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей от частоты в режиме обработки информации последовательным интерфейсом изделия "Гриф-Ц" при работе технических средств в тестируемом и выключенном режиме изображена на рис. 2, б. В этом случае побочные излучения по электрической составляющей в диапазоне частот от 0 до 90 МГц практически идентичны. Расчет показал, что радиус требуемой контролируемой зоны не превысит 1,4 м.
Эксперимент по измерению магнитной составляющей электромагнитного поля в данном режиме показал следующие результаты: в диапазоне частот от 0 до 10 МГц уровни напряженности электромагнитного поля по магнитной составляющей в режиме обработки информации последовательным интерфейсом отличаются в среднем на 20%. В диапазоне 10-30 МГц отличие составляет более 50%.
S , sfrodB
F.bftj
а)
а)
б)
б)
Рис. 2. Зависимость напряженности электромагнитного поля по
электрической составляющей от частоты (________ — в тестовом режиме;
_____— в выключенном состоянии): а — режим вывода информации на
экран монитора изделия "Гриф-Ц"; б — режим обработки информации последовательным интерфейсом
Рис. 3. Зависимость уровней напряженности электромагнитного поля по электрической (а) и магнитной (б) составляющим от частоты: _______ — в тестовом режиме;_______— в выключенном состоянии
Расчетное значение радиуса требуемой контролируемой зоны — 2,2 м.
В случае исследования режима ввода информации с клавиатуры, уровень напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей при работе технических средств в тестируемом и выключенном режимах во всем диапазоне частот отличается не более, чем на 15%. Исходя из расчетов, радиус требуемой контролируемой зоны принят равным 1,8 м.
Результаты измерений
Результаты исследования изделия "Гриф-К" в режиме обработки информации последовательным интерфейсом при работе технических средств в тестируемом и выключенном режиме приведены на рис. 3,а. Зависимость уровней напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей от частоты в диапазоне частот от 0 до 30 МГц отличаются на 5%, однако в диапазоне от 30 до 90 МГц отличие составляет 20%. При этом радиус требуемой контролируемой зоны принят, равным 1,4 м. Из зависимостей, представленных на рис.3,б, видно, что уровень напряженности электромагнит-
ного поля по магнитной составляющей в диапазоне от 0 до 10 МГц падает в пять раз, при этом радиус требуемой зоны равен 1,3 м.
Таким образом, полученные результаты дают возможность сформулировать требования по размещению аппаратуры и без дополнительных проверок обеспечить гарантированную защиту от побочных излучений систем обеспечения безопасности на объектах генерирования электроэнергии. Кроме того, можно определить зависимость уровней напряженности электромагнитного поля по магнитной и электрической составляющим от частоты в различных режимах для комплекса обеспечения безопасности "ГРИФ".
Литература
1. Clayton R. Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility (Wiley Series in Engineering) by Hardcover, 1999.
2. David Terrell, R. Kenneth Keenan. Digital Design for Interference Specifications, Second Edition : A Practical Handbook for EMI Suppression by Hardcover, 1999.
3. Don While. Electromagnetic Shielding Materials and Performance. Prentice-Hall, 2002.
