CC BY
63
ОСОБЕННОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПАССИВНЫХ АКУСТОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ЗАКЛАДНЫХ УСТРОЙСТВ
THE FEATURES OF THE PASSIVE ACOUSTO-PARAMETRIC EMBEDDED DEVICES DETECTION
Представлен физический принцип работы акустопараметрических закладных устройств, произведена оценка влияния размеров резонатора на собственную резонансную частоту и добротность, разработана имитационная модель акустопараметриче-ского закладного устройства и порядок выявления по демаскирующим признакам.
This article represents the physical principle of the acousto-parametric embedded devices operation, the estimation of the resonator's size influence on its resonance frequency and quality factor, the development of the acousto-parametric embedded devices simulation model and the procedure of its detection by signatures.
Поиск и обнаружение закладных устройств при проведении мероприятий по технической защите информации, таких как специальная проверка и специальное обследование, осуществляется по их информативным демаскирующим признакам (видовым, сигнальным и вещественным) [1]. Одним из основных демаскирующих признаков таких устройств является наличие в их составе полупроводниковых элементов, что позволяет обнаружить закладные устройства независимо от функционального состояния, за счет облучения высокочастотным сигналом и приема отраженного сигнала на кратных гармонических составляющих [1].
Опыт проведения мероприятий по технической защите информации показывает, что наиболее трудно обнаружить пассивные закладные устройства, в состав которых не входят радиоэлектронные компоненты. К таким устройствам относят пассивные аку-стопараметрические преобразователи, которые образуют технический канал утечки информации — ВЧ-облучение. Отличительной особенностью данных средств является
отсутствие источника питания и передатчика, что затрудняет их обнаружение. Недостатком пассивных акустопараметрических преобразователей является необходимость использования немалой облучающей мощности для обеспечения дальности перехвата акустической информации.
В настоящее время обнаружение акустопараметрических закладных устройств является сложной и нетривиальной задачей даже с применением специальных программно-аппаратных комплексов, в связи с чем раскрытие особенностей их обнаружения без применения специальных средств и комплексов является актуальной и практически значимой задачей.
Для рассмотрения физического принципа работы акустопараметрического преобразователя и оценки влияния его размеров на собственную резонансную частоту необходимо аналитически рассчитать распределение электромагнитного поля в объемном резонаторе, который представляет собой резонансную систему в виде некоторого объема, ограниченного проводящими стенками (объемный резонатор, образованный замкнутой проводящей поверхностью).
Резонатор закладного устройства можно представить как отрезок круглого волновода, закрытый с обоих концов. В объемном резонаторе могут существовать колебания различных типов, имеющие различные резонансные частоты. Тип колебаний в резонаторах обозначается Emnp или Hmnp, где индекс m — показывает число максимумов
поля, укладывающихся вдоль полуокружности, индекс n — число максимумов поля, укладывающихся вдоль диаметра, индекс p обозначает число стоячих волн электрического поля, укладывающихся в осевом направлении. Использование резонатора с антенной в качестве закладного устройства показало, что наибольший интерес для исследований представляют волны типа H011 [2].
Колебания волны в резонаторе акустопараметрического закладного устройства (рис. 1) возбуждаются при помощи антенны, при этом ее устанавливают параллельно электрическим силовым линиям. Электрическое поле волн, отраженных от боковых стенок резонатора, у штыря совпадает по фазе с электрическим полем излучаемых в данный момент волн, так как расстояние от штыря до боковых стенок и обратно равно Я/2 и при отражении фаза электрического поля изменяется на 180".
Рис. 1. АПЗУ со штырем
На рис. 1 обозначено: г — радиус, Ь — высота, (а,р, г) — цилиндрическая система координат.
Для оценки влияния размеров резонатора закладного устройства на собственную резонансную частоту и добротность необходимо рассчитать распределение электро-
магнитного поля в объеме. Методика аналитического расчета сводится к решению уравнений Максвелла, удовлетворяющих граничным условиям на стенках резонатора, что сводится к основной задаче теории регулярных волноводов. В случае закрытых резонаторов (в нашем случае закладное устройство является закрытым объемным резонатором) без потерь задача сводится к решению трехмерного векторного волнового уравнения Гельмгольца для вектора Герца (в соответствии с теоремой А. Н. Тихонова и А. А. Самарского, которая гласит: любое поле регулярного идеального волновода описывается решением однородных уравнений Максвелла, которое выражено только через продольные составляющие векторов Герца) [3]:
(А+к2)С = 0.
(1)
где А = У2 — это оператор Лапласа, который в декартовых координатах имеет вид
* = д
■ + -
д2 д2
т + —г •2 дг
(прямоугольный резонатор), а в полярных V2 =
д2
- + -
1 д2
+
1 д2
Я 2 ' д. 2 я 2 ---------------------„ . , 2 ' 2 я 2
дх ду дг дх а да а дф
(цилиндрический резонатор); V — дифференциальный векторный оператор Набла, к2 = ( -фа ■ Ми — волновое число (а = 2п-/ — круговая частота поля), еа=е0-е — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая резонатор; ма = М0'М
— абсолютная магнитная проницаемость среды, заполняющая резонатор; е,ц — относительные электрическая и магнитная проницаемости среды соответственно; О = е, ■ О
— электрический или магнитный вектор Герца, направленный параллельно оси 2 резонатора, G = А 1;(г) • / (?) — амплитудное значение электрического или магнитного вектора Герца, где — функция поперечного распределения поля, г) — функция продольного распределения поля, / (?) = — функция временной зависимости поля.
Как видно из рис. 2, в акустопараметрическом преобразователе могут существовать электрическая Е и магнитная Н составляющая поля.
Решение уравнения (1) в цилиндрической системе координат осуществляется методом разделения переменных, для чего величина 0(а,ф, г) задается произведением двух функций [3]:
С(а,р,г) = р± (а,Ф) г). (2)
В этом случае уравнение (1) разделится на два:
1 д ( д^Л 1 д
а да
(3)
(4)
где к± и к — поперечное и продольное собственные значения, при этом к2 = к^ + к2.
да ) а дф
Г+ к22 •£ = 0,
Облучающий Отраженный
ВЧ сигнал \ / ВЧ сигнал
Акустический сигнал
Модулятор Резонансная
система
Рис. 2. Схема пассивного акустопараметрического преобразователя
2
Для магнитных и электрических типов колебаний решение запишется в виде
Он = сЗп [^г ^со8(т^81п^^г^, (5)
вЕ = С2Зп [^г^со8(т^)со8^г^, (6)
где С, С — константы, определяемые нормировкой краевой задачи, отп — корень с номером т функции Бесселя порядка хтп, Хтп — корень с номером т производной функции Бесселя порядка п .
Найдем резонансную частоту собственных Н и Е колебаний [4]:
= ',[¿ш)' +[, (7)
Ю"тР фщ^^У Г ] ¡1 ] . (8)
Индекс т соответствует числу полных периодов стоячих волн, укладывающихся по окружности, индекс п характеризует число полупериодов стоячей волны поля, укладывающихся по диаметру 2г, а индекс р соответствует числу полупериодов поля стоячей волны, укладывающихся на высоте резонатора ¡ .
Анализ выражений показывает, что простейшему виду электрических колебаний соответствует т = 0, п = 1, р = 0. В связи с этим резонансная длина волны при колебаниях типа Е и н будет рассчитываться по формулам
1рез = 2,61-Г . (9)
1 = 2 , (10)
Рез I ^
— +1,49 - г2 п
Использование выражений 9 и 10 позволит специалистам по результатам измерений радиуса и высоты акустопараметрического закладного устройства приближенно оценить резонансную частоту сигнала, с которой необходимо его облучать для появления акустопараметрического отклика.
Остроту резонанса такой колебательной системы (во сколько раз запасы энергии в реактивных элементах контура больше, чем потери энергии на активных элементах за один период колебаний) показывает такая характеристика, как добротность Q = 2л- /ргз -Ж/Рл ( / — резонансная частота колебаний, Ж — энергия, запасенная в
колебательном контуре, р — рассеиваемая мощность), которая обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе (т.е. чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в течение каждого периода).
В пассивных акустопараметрических закладных устройствах роль приемника акустических колебаний и модулятора выполняет диафрагма (в качестве диафрагмы часто используют металлизированный скотч). Приемная и передающая антенны, как правило, реализованы в виде одной медной антенны (1/4 от длины волны облучения). Функциональная схема и пример пассивного акустопараметрического преобразователя приведены на рис. 3 и 4.
Емкостная связь с антенной Емкостная свячь с металлизированной мембраной
Рис. 3. Пример пассивного акустопараметрического закладного устройства
Изменение отражающих свойств антенны, подключенной к резонатору (рис. 3), происходит за счет изменения резонансной частоты резонатора / , вызванного перемещением диафрагмы и изменением емкости под воздействием акустических колебаний. Использование медной антенны обосновывается наименьшим значением удельного сопротивления постоянному току р = 1,75 Ом-мм /м-100 (алюминий р = 2,8; алюминиевые сплавы р = 3...5,9; латунь р = 3...8 ), что позволяет обеспечить наилучший прием и передачу ВЧ-сигнала.
В соответствии с вышеописанным в пакете МаШСАО 15.0 была разработана имитационная модель работы пассивного акустопараметрического закладного устройства, где облучающий сигнал задавался как £ (?) = А • ео8(2^ • /^ • ?), где /^ = 600МГц, а
А = 1, при этом частота облучения выбиралась в соответствии с Ярез = 3 -108//изл, которая
связана с высотой И и радиусом г резонатора.
При акустическом воздействии на металлизированную мембрану отраженный сигнал представляет собой амплитудно-модулированный сигнал
£ (?) = А(1 + т • ео8(2я-Г • ?)) • ео8(2^ • /изл • ?), где Г = 1кГц . Спектры облучающего и отраженного сигналов представлены на рис. 4.
1
0.8 0.6 0, 0.2 о
Ли.
1
Л г
О 5.99999x10" 6x10" 6.00001x10 о ............щ"
а) б)
Рис. 4. Спектры облучающего и отраженного сигналов от АПЗУ
Уровень боковых лепестков отраженного сигнала и определяет степень подверженности АПЗУ акустопараметрическому преобразованию (коэффициент модуляции т). Если
6x10
6.00001x10
мощность сигналов (рис. 4) измерять в децибелах относительно мВт (дБм), то отношение мощности одной боковой составляющей к отношению несущей равно
Рт -Р = 10-1ов(т/2)2, (11)
откуда можно выразить коэффициент амплитудной модуляции, который рассчитывается в соответствии с выражением
т = 2 Л0(рт-Р)/20. (12)
При отсутствии специальных комплексов выявление акустопараметрических закладных устройств возможно проводить по их демаскирующим признакам.
Видовые признаки:
- обнаружение в конструкции изделия медного, алюминиевого, латунного и др. стержней размером от 4 до 30 см;
- наличие металлизированной мембраны или подвижных конструкций, перемещающихся под воздействием акустических колебаний;
- наличие в конструкции изделия объемных резонаторов.
Сигнальными демаскирующими признаками акустопараметрических закладных устройств является наличие в отраженном сигнале боковых составляющих, которые от несущей отличаются на частоту акустического воздействия.
Вещественными демаскирующими признаками акустопараметрических закладных устройств являются обнаруженные пустоты в стене или любой другой сплошной среде. В простейшем случае пустоты в стене обнаруживаются путем простукивания, в более сложных ситуациях используют технические средства, в качестве которых могут применяться:
- ультразвуковые приборы;
- специальные технические средства, использующие в качестве физического принципа работы отличия в значениях диэлектрической проницаемости среды и пустоты;
- тепловизоры с охлаждаемой фотоприемной матрицей. Чувствительность охлаждаемых тепловизоров достигает 0,01 градуса по Цельсию. За счет разности теплопроводности бетона (кирпича) стены и воздуха границы пустот с воздухом при нагревании или охлаждении помещения могут наблюдаться на экране тепловизора.
Эндовибраторными свойствами также могут обладать облучаемые высокочастотным сигналом предметы мебели и интерьера, что выражается в:
- выявлении отклика при направлении антенны на облучаемый предмет;
- появлении в наушниках акустического фона в помещении;
- прослушивании в наушниках легкого постукивания диэлектрическим предметом по облучаемому предмету.
Причинами образования ложного эндовибраторного эффекта могут быть:
- конструктивные особенности технических средств или предметов интерьера (отсутствие экранирования, наличие высокочастотных резонансных контуров, наличие подвижных элементов в конструкции, перемещающихся под воздействием акустических сигналов);
- возможные неисправности схем защиты (обрыв экранирующего соединения) или нарушение правил эксплуатации технических средств (отсутствие заземления), слабое крепление электропроводящих элементов конструкции (незакрепленные металлические корпуса технических средств, элементы коробов вентиляции, осветительного оборудования и т. д.).
Таким образом, в статье представлены особенности обнаружения пассивных акустопараметрических закладных устройств, приведены их основные демаскирующие признаки, конструктивные особенности и спектральные характеристики отраженных промодулированных сигналов. Изучение материалов статьи специалистами по технической защите информации позволит более качественно проводить специальные проверки и обследования выделенных помещений на предмет наличия в них закладных устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Булычев О. А., Волков А. В., Рюмшин Р. И. Техническая защита информации. Технические каналы утечки информации : учебное пособие. — Воронеж : ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018. — 364 с.
2. Калашников А. М., Степук Я. В. Основы радиотехники и радиолокации. Колебательные системы : учебное пособие. — М. : Воениздат, 1965. — 384 с.
3. Цилиндрический резонатор сантиметрового диапазона длин волн / К. А. Зайцев [и др.] // Описание к задаче спецпрактикума. — М. : МГУ им. Ломоносова, 2012. — 25 с.
4. Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. — М. : Связьиздат,
1959.
REFERENCES
1. Bulyichev O. A., Volkov A. V., Ryumshin R. I. Tehnicheskaya zaschita informatsii. Tehnicheskie kanalyi utechki informatsii : uchebnoe posobie. — Voronezh : VUNTs VVS «VVA», 2018. — 364 s.
2. Kalashnikov A. M., Stepuk Ya. V. Osnovyi radiotehniki i radiolokatsii. Ko-lebatelnyie sistemyi : uchebnoe posobie. — M. : Voenizdat, 1965. — 384 s.
3. Tsilindricheskiy rezonator santimetrovogo diapazona dlin voln / K. A. Zaytsev [i dr.] // Opisanie k zadache spetspraktikuma. — M. : MGU im. Lomonosova, 2012. — 25 s.
4. Shirman Ya. D. Radiovolnovodyi i ob'emnyie rezonatoryi. — M. : Svyazizdat,
1959.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Волков Алексей Витальевич. Заместитель начальника кафедры противодействия техническим средствам разведки. Кандидат технических наук.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected].
Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а. Тел. 8-920-410-23-75.
Славнов Константин Владимирович. Доцент кафедры противодействия техническим средствам разведки. Кандидат технических наук.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54а. Тел. 8-920-410-23-75.
Кущева Ольга Александровна. Доцент кафедры противодействия техническим средствам разведки. Кандидат технических наук.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а. Тел. 8-905-053-68-45.
Volkov Aleksey Vitalievitch. Deputy head of the chair of Counteraction to Technical Means of Intelligence. Candidate of Technical Sciences.
Military educational scientific center of the Air Force «The Air Force Academy named after prof. N. E. Zhu-kovsky and U. A. Gagarin» (Voronezh).
E-mail: [email protected].
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Krasnoznamennaya Str., 153. Те! 8-920-410-23-75.
Slavnov Konstantin Vladimirovich. Associate Professor of the chair of Counteraction to Technical Means of Intelligence). Candidate of Technical Sciences.
Military educational scientific center of the Air Force «The Air Force Academy named after prof. N. E. Zhu-kovsky and U. A. Gagarin» (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Krasnoznamennaya Str., 153. Те! 8-920-410-23-75.
Kuscheva Olga Alexandrovna. Associate Professor of the chair of Counteraction to Technical Means of Intelligence. Candidate of Technical Sciences.
Military educational scientific center of the Air Force «The Air Force Academy named after prof. N. E. Zhukovsky and U. A. Gagarin» (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Krasnoznamennaya Str., 153. Те! 8-905-053-68-45.
Ключевые слова: акустопараметрическое закладное устройство; объемный резонатор.
Key words: parametric eavesdropping devices is; volume resonator.
УДК 004.056
