CC BY
43УДК 621.391
ЛОКАЛИЗАЦИЯ МЕСТ УСТАНОВКИ ЗАКЛАДНЫХ УСТРОЙСТВ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
ANALYSIS OF TIME DOMAIN REFLECTOMETRY FOR SECRET INTELLIGENCE
DEVICES LOCATION
©Михайловская А. С.
Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» г. Москва, г. Зеленоград, Россия mikhaylovskaya. a@yandex. ru ©Mikhaylovskaya A.
National Research University of Electronic Technology
Moscow, Zelenograd, Russia mikhaylovskaya.a@yandex.ru ©Панцыр Р. Я. канд. техн. наук Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» г. Москва, г. Зеленоград, Россия rodionpan@yandex. ru ©Pancyr R.
PhD
National Research University of Electronic Technology
Moscow, Zelenograd, Russia rodionpan@yandex. ru
Аннотация. Данная статья посвящена обзору метода импульсной рефлектометрии и особенностям поиска закладных устройств с помощью рефлектометров на примере программно-аппаратного комплекса для исследования сигналов в проводных линиях «Сириус».
Проведен сравнительный анализ рефлектограмм, полученных в результате исследования различных дефектов и подключений к кабелю. Такие рефлектограммы позволяют определить точное расстояние до подключения, давая возможность обнаруживать закладные устройства.
Abstract. This article provides an overview of the time-domain reflectometry and secret intelligence devices location using reflectometers an example of equipment for data investigation in wired lines "Sirius".
It resulted in the comparative analysis of the traces obtained from the study of various defects and connections to the cable. Such traces are possible to determine the exact distance to the connection. It gives the ability to detect secret intelligence devices.
Ключевые слова: закладное устройство, рефлектометр, метод импульсной рефлектометрии, рефлектограмма, волновое сопротивление, коэффициент укорочения кабеля.
Keywords: secret intelligence device, reflectometer, time-domain reflectometry, time-domain reflectometry trace, wave impedance, velocity factor.
В настоящее время существует широкий класс аппаратуры, позволяющей обнаруживать несанкционированные подключения к проводной линии по неоднородности ее волнового сопротивления. Аппаратуру данного типа называют рефлектометрами, а сам метод обнаружения — рефлектометрией. Метод импульсной рефлектометрии основан на анализе отражений высокочастотных сигналов от несогласованной нагрузки линии. Данный метод широко используется для выявления факта наличия гальванически подключенных к линии закладных устройств и блоков питания. Кроме того, рефлектометры позволяют также определять расстояние до мест их подключения.
Одним из довольно широко применяемых в данной области приборов является программно-аппаратный комплекс «Сириус», который имеет множество возможностей для проведения исследований сигналов в проводных линиях и использует для этого различные методы анализа, в частности метод импульсной рефлектометрии.
Импульсная рефлектометрия или рефлектометрия во временной области (англ. timedomain reflectometry) — это анализ проводной линии, который проводится путем подачи в нее импульсного сигнала и исследования его отражения [1]. Поскольку любое устройство или дополнительная проводка, подсоединенные к линии, вызывают отражение зондируемого сигнала от места подключения, за счет локального изменения ее волнового сопротивления, точное место подключения закладного устройства можно определить, проанализировав электрические параметры отраженного сигнала: фазу, амплитуду, полярность и др. Бесконтактные подключения к линии методом рефлектометрии не обнаруживаются.
Помимо поиска устройств рефлектометры позволяют измерить длину кабеля. Кроме того, с помощью рефлектометра можно выявлять такие неисправности в линиях (двухпроводных или коаксиальных), как нарушение изоляции, обрыв провода, плохие контакты в разъемах, порезы, изломы кабеля, короткие замыкания и другие дефекты [2, 3].
Стоит понимать, что рефлектометр не может показать, что именно он обнаружил — конец кабеля, разрыв или подключенное устройство. Он показывает только, где нужно искать. Поэтому при использовании данного вида оборудования для поиска закладных устройств необходимо предварительно знать длину проводной линии, на которой осуществляется поиск.
Рефлектометры работают по такому же принципу, как и радиолокаторы. Зондирующий электрический импульс передается вдоль линии. Когда этот импульс достигает конца кабеля, повреждения или неоднородности, часть энергии импульса отражается обратно к прибору. Это происходит по следующей причине: когда диэлектрические свойства кабеля резко меняются (например, вследствие смещения проводников в поврежденном проводе), меняется и его волновое сопротивление. А любое изменение волнового сопротивления приводит в свою очередь к отражению части энергии зондирующих импульсов обратно к рефлектометру. Причем величина изменения волнового сопротивления определяет амплитуду отраженного сигнала.
Время, затраченное для прохождения сигнала вдоль кабеля, встречи с дефектом и возвращения обратно преобразуется в расстояние и может быть индицировано двумя способами: в виде формы сигнала или в виде отсчета расстояния. В первом случае на индикаторе прибора будет отображаться генерируемый импульс и любые отраженные сигналы, вызванные изменением или неравномерностью волнового сопротивления в кабеле [4]. Полученное изображение будет соответствовать «сигнатуре» исследуемого кабеля. Во втором случае прибор покажет расстояние в метрах до первого сильного отражения зондирующего импульса. Программно-аппаратный комплекс «Сириус» имеет оба описанных типа индикации. На Рисунке 1 приведен пример рефлектограммы, полученной с помощью данного комплекса. При проведении исследования кабеля «Сириус» позволяет менять многие параметры (дальность обзора, длительность импульса, коэффициент укорочения, усреднение и др.) для получения наиболее точного и наглядного изображения.
Рисунок 1. Пример рефлектограммы, отображаемой программно-аппаратным комплексом
«Сириус».
Рефлектометры одновременно указывают на характер обнаруженного дефекта: если волновое сопротивление резко увеличилось, то дефект считается обрывом, а если уменьшилось — то коротким замыканием. На Рисунках 2 и 3 приведены рефлектограммы, которые получены с помощью комплекса «Сириус» при обрыве кабеля и при коротком замыкании соответственно.
Рисунок 2. Вид отображаемой рефлектометром информации при обрыве кабеля (установленные параметры: дальность обзора — 50 м, длительность импульса — 10 нс, коэффициент
укорочения — 1,5).
Рисунок 3. Вид отображаемой рефлектометром информации при коротком замыкании (установленные параметры: дальность обзора — 50 м, длительность импульса — 10 нс,
коэффициент укорочения — 1,5)
Такие резкие перепады волнового сопротивления на рефлектограмме будут отличаться от более слабых скачков, вызванных отражением от подключений к линии или ответвлений от нее. Именно такие показания рефлектометра могут показать несанкционированные подключения к линии и тем самым помочь в поиске закладных устройств. На рисунке 4 представлен пример рефлектограммы, на которой хорошо видно гальваническое подключение к линии. Красным показана форма сигнала в линии без подключений, желтым — в линии с подключением.
Рисунок 4. Сравнение рефлектограмм линии без подключений и линии с обнаруженным подключением (установленные параметры: дальность обзора — 50 м, длительность импульса
— 10 нс, коэффициент укорочения — 1,5)
Однако, несмотря на наглядность, невозможно определить, что именно обнаружил рефлектометр. Все подозрительные дефект необходимо будет проверить вручную. Это является одним из недостатков метода импульсной рефлектометрии. Например, показания рефлектометра при обнаружении закладного устройства и при обнаружении блока питания закладного устройства практически не будут отличаться. На Рисунке 5 приведены показания комплекса «Сириус» при подключении к исследуемой линии блока питания (показаны желтым) и при обнаружении ответвления (показаны красным).
Импульсная рефлектометрия, как метод исследования параметров проводных линий, имеет ряд ограничений, о которых следует помнить для достижения наиболее точных результатов. Некоторые из них связаны с длительностью импульсов, генерируемых рефлектометром.
Рисунок 5. Сравнение показаний рефлектометра при подключении к линии блока питания и при обнаружении ответвления (установленные параметры: дальность обзора — 50 м, длительность импульса — 10 нс, коэффициент укорочения — 1,5).
Большинство рефлектометров имеют возможность изменения длительности зондирующих импульсов (например, «Сириус» — от 5 до 1000 нс), которая в свою очередь определяет дальность распространения сигнала. Чем больше ширина импульса, тем большую энергию будет нести сигнал, а значит, тем дальше по кабелю он будет распространяться [5]. Однако, даже при испытаниях очень длинных кабелей поиск дефектов и неоднородностей следует начинать с самой маленькой длительности импульса, поскольку всегда существует вероятность того, что дефект находится на достаточно близком расстоянии. Если дефект не обнаружен, то необходимо переключиться на следующий более длинный импульс и повторить испытания. Более широкие импульсы позволяют выявлять дефекты, которые находятся на большом расстоянии и при этом достаточно малы, поскольку при маленькой длительности импульса отраженный сигнал малой амплитуды быстро затухнет и «не успеет» вернуться обратно к рефлектометру.
Еще одно ограничение связано с тем, что импульс, генерируемый рефлектометром, занимает некоторое время и потому перекрывает некоторое расстояние, называемое слепым пятном. С изменением длительности импульса изменяется и длина слепого пятна. Чем больше длительность импульса, тем больше, соответственно, слепое пятно (при длительности 5 нс величина слепого пятна составляет несколько метров; при длительности 1000 нс — несколько сотен метров) [6].
Чтобы избежать пропуска дефекта, попадающего в небольшое слепое пятно, целесообразно вставить дополнительный кабель между рефлектометром и испытываемым кабелем. Обязательным условием такой модификации является то, что волновое сопротивление дополнительного кабеля должно быть равно волновому сопротивлению испытываемого кабеля. Также особое внимание необходимо уделить качеству подключения, так как от этого зависит уровень отражений от места соединения кабелей. Следует помнить, что рефлектометр будет отсчитывать не только длину испытываемого кабеля, но и длину дополнительного, которую впоследствии необходимо вычесть из общей длины кабеля.
Для того, чтобы получить более точные измерения расстояния необходимо ввести в рефлектометр так называемый коэффициент укорочения, который определяется как отношение скорости света в свободном пространстве к скорости распространения электромагнитной волны в исследуемом кабеле [7]. В зависимости от типа кабеля коэффициент укорочения может составлять от 1 до 2,5 [8].
Частичный перечень типов кабелей и соответствующих им коэффициентов укорочения приведен в Таблице:
Таблица.
ТАБЛИЦА КОЭФФИЦИЕНТОВ УКОРОЧЕНИЯ ТИПОВЫХ КАБЕЛЕЙ [6]
Марка кабеля Коэффициент укорочения Марка кабеля Коэффициент укорочения
АВВГ 4х95 1,59 МРН 1,5
АПВББШП 4х120 1,49 П-270 3
АПВББШП 4х150 1,54 П-274М 1,39
АПВББШП 4х185 1,51 П-296 1,6
АПВББШП 4х240 1,51 ПВС 5Х2,5 1,84
АПВББШП 4х25 1,51 ПРПМ 1,65
АПВББШП 4х35 1,49 ПРППМ 0,9 1,474
АПВББШП 4х50 1,54 ПРППМ 1х2х1,2 1,47
АПВББШП 4х70 1,48 ПТРК 10Х2 1,5
АПВББШП 4х95 1,5 ПТРК 20Х2 1,5
АПВВНГ 1х95/35 1,87 ПТРК 5Х2 1,58
АПвПг 1х95 1,87 РК-100-7-1 1,2
АСБ 3х240 1,71 РК-50-2-11 1,52
АСБ 3х50 1,87 РК-50-2-21 1,41
ВВГ 3Х2,5 1,89 РК-75-4-16 1,52
ВВГ 5Х16 1,77 СБ 1,87
ВВГ 5Х4 1,67 СБПЗАВпШп 1,61
ВВГ 5Х6 1,67 СИП 2 3х95+1.95 1,425
ВКПАшП 2,1х9,7 1,3 СИП 2х35 1,37
ВЛЭ 35-400кВ 1 СИП 2х25 1,46
ЗКП 1,55 ТГ 1,32
ЗКП (140Ом) 1,52 ТГ 0,4 1,36
ЗКП 1х4х1,2 1,46 ТЗ 1,32
КГ 2Х2,5 2,19 ТЗ 0,8 1,38
КГ 2Х4 2,15 ТЗ 0,9 1,34
КГ 3Х10+1Х4 2,08 ТЗ 1,2 1,52
КГ 3Х16+1Х6 2,09 ТЗПАшП 1х4х1,2 1,32
КГ 3Х25+1Х10 1,92 ТПП 0,32 1,56
КГ 3Х35+1Х16 2,24 ТПП 0,4 1,52
КГ 3Х50+1Х25 2,16 ТПП 100Х2Х1,4 1,5
КГ 3Х6+1Х4 2,24 ТПП 10Х2Х0,4 1,43
КМ-4 (75Ом) 2,6 1,07 ТПП 200Х2Х1,45 1,5
КМ-4 (75Ом) 9,4 1,04 ТППэП 10Х2Х0,4 1,43
КРПТ 3Х2,5 2,26 ТРП2х0,4 1,42
КСПП (115Ом) 0,9 1,52 ТТВК5Х2 2,1
КСПП (130Ом) 1,2 1,74 ФКБ 1Х1,3 1,3
КСПП 1Х4Х0,9 1,5 ШТЛ-2Х0,08 1,534
КСПП 1Х4Х1,2 1,55 КИПЭП 1,51
МКПВ 4Х4Х1,2 1,5
МКС (163Ом) 1,2 1,22
МКСАшП 1,19
МКСАШП 4Х4Х1,2 1,155
МКСБ 4Х4Х0,9 1,23
МКТ 1,2-4,6 1,12
Величина скорости распространения волны в кабеле определяется диэлектриком, разделяющим его проводники. Знание данной величины является наиболее важным фактором при использовании рефлектометров для определения расстояния до дефектов. Для каждого кабеля прибор калибруется путем ввода правильного значения коэффициента
укорочения. Как правило, в технической документации к рефлектометрам приводятся таблицы со значениями коэффициентов укорочения для различных типов кабелей. Если этого нет, то следует замерить длину любого кабеля, не имеющего дефектов, и изменять установку коэффициента укорочения в приборе до тех пор, пока на дисплее не отобразится верная длина кабеля.
Поскольку значение величины скорости распространения волны может меняться (например, при изменении температуры или при старении кабеля), то может меняться и величина коэффициента укорочения. Однако и этой ошибки можно избежать или хотя бы снизить ее влияние на результаты измерений. Для этого применяется следующий алгоритм действий:
1. Измеряется точная длина исследуемого кабеля.
2. На рефлектометре устанавливается примерное значение коэффициента укорочения для данного кабеля.
3. Кабель исследуется с одной стороны, записывается полученный отсчет длины.
4. Кабель исследуется с противоположной стороны, записывается полученный отсчет длины.
5. Если сумма обоих отсчетов равна точной длине кабеля, то считается, что коэффициент укорочения установлен правильно, и местонахождение дефекта определено.
6. Если сумма двух отчетов оказалась больше измеренного расстояния, то следует увеличить значение коэффициента укорочения и повторить испытания.
7. Если сумма двух отчетов оказалась меньше измеренного расстояния, то следует уменьшить значение коэффициента укорочения. В этом случае оператор должен рассмотреть возможность наличия двух и более дефектов.
8. В исследуемом кабеле может одновременно иметься сразу несколько дефектов. Если дефект представляет собой короткое замыкание или полный обрыв кабеля, то рефлектометр даст показания только до этой точки. Если же дефект иного рода, то рефлектометр может обнаружить не только его, но и другие дефекты далее по кабелю [9].
При использовании рефлектометра с индикацией формы сигнала на индикаторе отобразятся все обнаруженные в кабеле дефекты и неоднородности, как большие, так и маленькие. В этом случае следует провести повторные испытания с противоположного конца кабеля.
На Рисунке 6 приведена рефлектограмма программно-аппаратного комплекса «Сириус» с двумя обнаруженными дефектами (подключениями). Для сравнения красным показана форма сигнала в линии без подключений, желтым — в линии с подключениями.
Рисунок 6. Рефлектограмма кабеля с двумя обнаруженными подключениями (установленные параметры: дальность обзора — 100 м, длительность импульса — 20 нс, коэффициент
укорочения — 1,5)
Выводы
Современные методы в области импульсной рефлектометрии достигли высокой степени развития, что привело к созданию отдельного класса измерительных приборов, называемых рефлектометрами. Данные приборы позволяют определить расстояние до любых дефектов линии (короткое замыкание, обрыв, излом и т. п.), а также до любых ответвлений и подключений.
Результаты, достигаемые при измерениях импульсным рефлектометром, зависят от возможностей настройки его параметров.
При исследовании кабеля важно учитывать его тип и длительность зондирующего импульса, так как от этих параметров зависит величина слепого пятна, которое влияет на качество диагностики.
Список литературы:
1. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах / под ред. А. М. Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1988.
2. Lo C., Furse C. Reflectometry for Locating Wiring Faults. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2005, no. 47, pp. 97-104.
3. Smith P., Furse C., Gunther J. Analysis of Spread Spectrum Time Domain Reflectometry for Wire Fault Location. IEEE Sensors Journal, 2005, no. 5. pp. 1469-1478.
4. Дьяконов В. П. Рефлектометрия и импульсные рефлектометры // Компоненты и технологии. 2012. №1. С. 164-172.
5. Кравцов Ю. А., Сахаров А. Н. xDSL: диагностика кабельных линий // Вестник связи. 2002. №8.
6. Руководство по эксплуатации программно-аппаратного комплекса для исследования сигналов в проводных линиях «Сириус» // Официальный сайт ОАО «НОВО». Режим доступа: http://www.novocom.ru/ (дата обращения: 10.04.2016).
7. Коэффициент укорочения кабеля // Официальный сайт фирмы «СТЭЛЛ». Режим доступа: http://www.eurostell.com/methods/koefficient-ukorocheniya-kabelya/ (дата обращения: 02.04.2016).
8. Song E., Shin Y. J., Stone P. E., Wang J., Choe T. S., Yook J. G., Park J. B. Detection and Location of Multiple Wiring Faults via Time-Frequency-Domain Reflectometry. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, no. 51, pp. 131-138.
9. Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий // Официальный сайт фирмы «СТЭЛЛ». Режим доступа: http://www.reis205.narod.ru/metod.htm (дата обращения: 10.04.2016).
References:
1. Fizicheskaya enciklopediya. V 5-ti tomax. / Pod red. Proxorova A.M. M.: Sovetskaya enciklopediya, 1988.
2. Lo C., Furse C.. Reflectometry for Locating Wiring Faults. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2005, no. 47, pp. 97-104.
3. Smith P., Furse C., Gunther J.. Analysis of Spread Spectrum Time Domain Reflectometry for Wire Fault Location. IEEE Sensors Journal, 2005, no. 5, pp, 1469-1478.
4. Dyakonov V. P. Reflektometriya i impulsnye reflectometry. Komponenty i texnologii. 2012, no.1, pp. 164-172.
5. Kravcov Yu. A., Saxarov A.N. xDSL: diagnostika kabelnyx linij. Vestnik svyazi, 2002,
no. 8.
6. Rukovodstvo po ekspluatacii programmno-apparatnogo kompleksa dlya issledovaniya signalov v provodnyx liniyax "Sirius". Oficialnyj sajt OAO "NOVO". Available at: http://www.novocom.ru/, accessed 10.04.2016.
7. Koefficient ukorocheniya kabelya. Oficialnyj sajt firmy "STELL". Available at: http://www.eurostell.com/methods/koefficient-ukorocheniya-kabelya/, accessed 02.04.2016.
8. Song E., Shin Y. J., Stone P. E., Wang J., Choe T. S., Yook J. G., Park J. B. Detection and Location of Multiple Wiring Faults via Time-Frequency-Domain Reflectometry. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, no. 51, pp. 131-138.
9. Ispolzovanie metoda impulsnoj reflektometrii dlya opredeleniya povrezhdenij kabelnyx linij. Oficialnyj sajt firmy "STELL". Available at: http://www.reis205.narod.ru/metod.htm, accessed 10.04.2016.
Работа поступила в редакцию Принята к публикации
19.04.2016 г. 21.04.2016 г.
