Содержание к диссертации
Введение
1 . Анализ состояния проблемы и выбор направлений исследований устойчивости систем видеонаблюдения при воздействии мощных импульсных электромагнитных полей (МИЭМП) 11
1.1 Анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов по ЭМС 11
1.1.1 Международные и национальные стандарты по ЭМС... 11 '
1.1.2 Требования стандартов по параметрам МИЭМП 12
1.1.3 Методы и средства испытаний 20
1.2. Общая характеристика систем видеонаблюдения как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных полей 21
1.3. Анализ современных методов оценки стойкости систем видеонаблюдения 29
1.3.1 Расчетные методы 29
1.3.2 Экспериментальные методы 30
1.3.3 Расчетно-экспериментальныеметоды 33
1.4. Анализ результатов испытаний. 34
1.5. Выбор направлений исследований и постановка задач 42
2. Обоснование требований к системам видеонаблюдения, методам и средствам их испытаний 44
2.1. Требования к системе видеонаблюдения в условиях воздействия МИЭМП 44
2.2. Обоснование требований к средствам измерений и излучателям мощных электромагнитных полей 47
2.3. Требования к конструктивным и эксплуатационным характеристикам средств измерений и генерирования полей 52
Выводы по главе 54
3. Теоретические исследования. Современные численные методики и результаты оценки воздействия мощных импульсных ЭМП на видеосистемы 56
3.1. Совершенствование расчетных методик оценки устойчивости систем видеонаблюдения к воздействию МИЭМП 56
3.2. Физико-математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с прводящими объектами 63
3.3. Расчет токов для модельной геометрии и оценка эффективности поражающего действия ЭМИ различных источников на технические средства 72
3.4. Разработка расчетных методик оценки эффективности экранирования 79
3.5. Примеры расчета эффективности электромагнитного экранирования 86
Выводы по главе 92
4. Методики,средства и результаты экспериментальных исследований 95
4.1 .Научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований устойчивости типовых элементов систем видеонаблюдения к воздействию СКИ ЭМП 95
4.1.1. Существующая экспериментальная база для оценки устойчивости СВ к воздействию СКИ ЭМП .. ... 95
4.1.2. Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований 105
4.1.3. Средства для проведения экспериментальных исследований 106
4.2. Разработка типовой программы - методики проведения экспериментальных исследований устойчивости систем видеонаблюдения к воздействию мощных СКИ ЭМП 109
4.2.1. Программа проведения экспериментальных исследований 109
4.2.2. Методики экспериментальных исследований 111
4.2.3. Программа - методика проведения экспериментальных исследований воздействия СКИ ЭМП на системы видеонаблюдения 113
4.3. Экспериментальные исследования и результаты воздействия СКИ ЭМП и гармонических полей на системы видеонаблюдения 117
4.4. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости систем видеонаблюдения к воздействию ЭМИ 124
Выводы по главе 132
Заключение 135
Список использованных источников
- Общая характеристика систем видеонаблюдения как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных полей
- Обоснование требований к средствам измерений и излучателям мощных электромагнитных полей
- Физико-математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с прводящими объектами
- Существующая экспериментальная база для оценки устойчивости СВ к воздействию СКИ ЭМП
Введение к работе
В настоящее время наблюдается стремительное развитие информационно-телекоммуникационных систем и радиоэлектронной аппаратуры, результатом которого становится появление нового типа устройств, использующих цифровые технологии на основе как проводных, так и беспроводных линий связи. Достигаемое быстродействие подобных систем осуществляется за счет их миниатюризация и снижения уровня энергетического потребления, которое приводит к значительному уменьшению степени помехозащищенности к внешним электромагнитным полям, в особенности к сверхширокополосным электромагнитным импульсам [1-3].
Особенностью данного типа излучения является соразмерность длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов, сопровождающих обработку цифровой информации [4]. В соответствии с этим для своевременной разработки методов защиты и оценки уровней восприимчивости аппаратуры, с учетом вступающих в действие международных стандартов МЭК 61000 необходимо проводить испытания как вновь разрабатываемых, так и ранее созданных технических средств на стойкость к воздействию сверхкоротких (СК) электромагнитных импульсов (ЭМИ) [5-8 ].
Проведение подобных испытаний требует разработки современного научно-методического обеспечения.
Характеристики излучаемых мощных импульсных электромагнитных полей (МИЭМП) находятся в следующих амплитудно-временных диапазонах: амплитуда импульсов напряженности электрического поля Е = 1-5-100 кВ/м; длительность фронта импульса - ОДн-5 не; длительность импульсов на полувысоте -1-^20 не; частота повторения 0-10 кГц [4].
Сложность измерений параметров ЭМИ заключается в жестких требованиях к широкополосности и помехоустойчивости измерительных каналов, при этом их переходная характеристика должна быть близка к ступенчатой.
Диссертация посвящена исследованиям по разработке и совершенствованию
методического обеспечения испытаний технических средств на примере систем
видеонаблюдения (СВ) при воздействии электромагнитных импульсов
субнаносекундного диапазона и гармонических полей.
Актуальность работы обусловлена тем, что современные технические средства (ТС) насыщены радиоэлектронной аппаратурой, изготовленной с использованием
6 і
микросхем, микропроцессоров, чипов и т.п., функционирующих при малых уровнях тока и напряжения.
Поэтому воздействие на технические средства электромагнитных полей источников природного и техногенного происхождения может привести к сбоям или отказам в работе аппаратуры. В результате таких сбоев или отказов аппаратуры нарушается ее функционирование.
Учитывая насыщенность ТС аппаратурой со сложными электрическими цепями, их стойкость в условиях воздействия ЭМП обычно оценивается экспериментально с использованием установок-имитаторов ЭМП и генераторов ЭМИ.
Для обеспечения испытаний и оценки стойкости аппаратуры СВ в условиях
воздействия ЭМИ с использованием имитаторов в соответствии с современными
требованиями необходима разработка соответствующих методик измерений внешних'
полей и электромагнитных наводок во внутренних объемах объектов и испытаний. і
В последние десятилетия наблюдается постоянно возрастающий интерес к
исследованию и использованию в задачах радиотехники нового типа электромагнитных
волн - электромагнитных импульсов (ЭМИ). В природе источником ЭМИ являются
импульсные токи, сопровождающие нестационарные природные явления - геомагнитные
бури, удары молнии, электростатические разряды. В технике источниками ЭМИ являются
электромагнитные поля радиопередающих и радиолокационных станций, высоковольтные
линии электропередачи, импульсные электротехнические устройства. Источником
наиболее мощного ЭМИ является ядерный взрыв (ЯВ). С началом решения проблемы
защиты от воздействия ЭМИ ЯВ начинались активные исследования механизмов
взаимодействия ЭМИ с РЭА. Исследования стимулировались также широким
распространением микроэлектроники в современных информационных системах учета,
планирования и регулирования. Воздействие ЭМИ приводит к возрастанию вероятности
отказов ответственных систем управления и связи. '
Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Решение этих проблем проводится по следующим основным направлениям:
1. Задание в качестве требований в нормативно-технических документах обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения.
2. Создание и модернизация имитаторов для воспроизведения заданных в
стандартах параметров электромагнитных полей ЭМИ ЯВ и СШП ЭМИ.
Разработка средств измерений.
Испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов ЭМИ.
Разработка методов и средств защиты.
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем.
В нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по разработке стандартов [ 9].
По оценке специалистов проблема ЭМС и устойчивость технических средств к
ЭМИ выходит на ведущую позицию при разработке электронной и
телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе.
Для испытаний радиотехнических средств на стойкость к воздействию ЭМИ ЯВ в
экономически развитых странах было сооружено несколько десятков имитаторов ЭМИ ЯВ.
Дальнейшие исследования в области генерирования и измерения параметров ЭМИ проводились в направлении разработки излучающих имитаторов ЭМИ ЯВ и средств измерений параметров в наносекундной области.
В настоящее время в развитии телекоммуникационных технологий наблюдается интенсивное освоение нового типа радиоволн - коротких сверхширокополосных (сверхкоротких) электромагнитных импульсов[10 ].
Они имеют длительность порядка 0,1 не. Было установлено, что подобный тип электромагнитных волн чрезвычайно эффективен для передачи цифровой информации, а также для сверхширокополосной (в первую очередь для подповерхностной) радиолокации с разрешением образа объекта.
На основе этой технологии за рубежом разработаны и проходят испытания ' устройства скрытой телефонной радиосвязи, приемо-передающие устройства для бескабельных локальных компьютерных сетей, высокоточные системы местоопределения. Испытываются локаторы для обнаружения в грунте пластиковых мин, для далыюметрии и систем охранной сигнализации, для контроля расстояний на транспорте и для дистанционного контроля пульса и дыхания человека.
Для метрологического обеспечения телекоммуникационных технологий, использующих сверхкороткие электромагнитные импульсы (СК ЭМИ), необходимы средства измерений параметров этих импульсов, быстродействие которых должно быть
8.
менее 100 пс. Практика показала, что единственным типом средств измерений,
обеспечивающим требуемую широкополосность являются полосковые измерительные
преобразователи. Развитие полосковых измерительных преобразователей проходило в
направлении сокращения времени нарастания их переходной характеристики[4]. і
По мере развития теории и технических средств генерирования, излучения и измерения коротких ЭМИ, имеющих субнаносекундную длительность, стала развиваться концепция об исключительном значении коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ, английская аббревиатура UWB ЕМР) в прикладной электродинамике. Отечественными и зарубежными специалистами были показаны возможности остронаправленного излучения повторяющихся СШП ЭМИ субнаносекундной длительности и эффективной регистрации с помощью устройств, аналогичных стробоскопическому осциллографу. При воздействии СШП ЭМИ на компьютеры и цифровые устройства в их цепях наводятся сигналы, аналогичные рабочим, что приводит к нарушению работы цифровых систем. По единодушному мнению отечественных и зарубежных специалистов, относительная простота изготовления мощных передвижных излучателей СШП ЭМИ позволяет прогнозировать' их использование в террористических целях для нарушения работы і компьютеризованных государственных инфраструктур.
Необходимым условием развертывания работ в трех перечисленных направлениях (связь, локация, борьба с электромагнитным терроризмом) является решение проблем - методического обеспечения исследований и испытаний ТС.
Одной из наиболее актуальных задач при оценке стойкости ТС в условиях
воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений в соответствии с
требованиями ГОСТ и стандартов МЭК является проблема воспроизведения
необходимых параметров нагружения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах
длин волн. Для проведения таких исследований требуется разработка новых методов и
соответствующий комплекс установок - имитаторов электромагнитных излучений для
испытаний аппаратуры и стационарных объектов. Это позволит повысить.
достоверность исследований устойчивости ТС, обеспечит их стойкость и
і взрывобезопасность на всех этапах жизненного цикла(храпение, транспортировка,
эксплуатация).
Следовательно, задача разработки методов расчета воздействия мощных импульсных электромагнитных полей (МИЭМП) измерений полей узконаправленных
антенных систем и совершенствования методов испытаний является в настоящее время актуальной.
Настоящая работа посвящена теоретическому обобщению и решению научной задачи имеющей важное значение, а, именно, разработке научно-методических основ обеспечения устойчивости систем видеонаблюдения к воздействию мощного электромагнитного импульса в широком диапазоне амплитудно-временных параметров.
Актуальность поставленной научной задачи определяется:
необходимостью создания и совершенствования систем видеонаблюдения,
соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их надежности и устойчивости в условиях воздействия МИЭМП в широком диапазоне частот и амплитуд;
слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия
наносекундных электромагнитных полей на СВ и ее элементы; .
отсутствием требований к методам защиты оборудования СВ от МИЭМП.
Основной целью диссертационной работы является разработка н совершенствованию методов и средств оценки устойчивости систем видеонаблюдения в условиях воздействия мощных сверхкоротких электромагнитных импульсов и гармонических электромагнитных полей.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: Провести анализ состояния работ по разработке национальных и международных стандартов в части задания требований к техническим средствам по параметрам мощных импульсных ЭМП, методам и средствам испытаний.
Проанализировать существующие методы и средства измерений импульсных электромагнитных полей с целью определения возможностей их применения для оценки электромагнитной обстановки при испытаниях СВ на действие ЭМИ;
На основе проведенного анализа обосновать требования к СВ, средствам измерений и генерации ЭМП;
Усовершенствовать физико-математический аппарат для оценки воздействия импульсных ЭМП субнаносекундного диапазона на типовые элементы СВ;
Разработать научно-методическое обеспечение испытаний СВ с помощью' излучателей СК ЭМИ;
10 Провести экспериментальные исследования устойчивости СВ к воздействию СК ЭМИ, гармонических полей и разработать рекомендации по защите СВ.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
требования к СВ в условиях электромагнитного воздействия гармонических и СК ЭМИ;
результаты расчета взаимодействия внешнего импульсного электромагнитного поля с системой линейных проводников;
методики испытаний современных систем видеонаблюдения в условиях воздействия СК ЭМИ;
результаты экспериментальных исследований воздействия мощных ЭМП на СВ;
рекомендации по обеспечению помехоустойчивости систем видеоиаблюдения в сложной электромагнитной обстановке.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается:
в результатах теоретических и экспериментальных исследований физических процессов взаимодействия импульсных ЭМП с техническими средствами;
в разработке методов расчета воздействия ЭМИ на технические средства СВ объектов, что позволяет оценивать электромагнитную обстановку вне и внутри реального объекта и прогнозировать характеристики воздействия ЭМИ на элементы технических систем различного назначения;
в разработанных па основе результатов исследований методик проведения испытаний в условиях воздействия ЭМП субнаносекундного диапазона;
в получении новых экспериментальных данных по устойчивости элементов СВ к воздействию ЭМИ;
в разработке научно-обоснованных мероприятий по повышению устойчивости СВ к намеренным силовым электромагнитным воздействиям.
Общая характеристика систем видеонаблюдения как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных полей
Все помехи, воздействующие на изображение, можно разделить на четыре группы:
1. Регуляторная помеха. Эти помехи обусловлены паразитными периодическими сигналами и проявляются в виде дополнительных рисунков: сетки, полосы. Рисунки, вызванные помехой, могут быть как стационарными, так и перемещающимися с различной скоростью и в различном направлении по экрану.
2. Импульсная помеха. Такая помеха наблюдается в виде темных или светлых вспышек (в зависимости от полярности помех) в форме точек и штрихов различной протяженности. Следует заметить, что даже очень короткая импульсная помеха может создать вспышку, превышающую по длительности размер элемента во много раз. Это объясняется тем, что при ярких вспышках наблюдается расфокусировка луча приемной трубки.
3. Медленно меняющаяся помеха. К числу таких помех относятся ложные изображения, возникающие в передающих трубках. Это черные пятна и ореолы. Черные пятна удается компенсировать с помощью специально генерируемых колебаний. Но ореолы не поддаются компенсации и их появление предупреждают специальным подбором режимов работы ТВ трубок и освещенности передаваемых объектов, иначе остаются черные ореолы вокруг ярких участков изображения. На изображении может появиться и паразитное повторное изображение, характерное для трубки суперортикон. К этой группе помех можно отнести искажения в ТВ канале и повторный прием отраженного сигнала, создающие многоконтурные изображения. Флуктуационная помеха Это, в частности, флуктуации светового потока, фототока, тока сигнала, тока электронного луча, а такие флуктуационные помехи, возникающие в трактах передачи и приема. Такая помеха имеет непрерывный спектр. Но так как полоса ТВ канала ограничена, то эта помеха несколько напоминает импульсную.
При малых отношениях сигнал/шум на изображении возникают вспышки в виде , мелких точек, меняющих свои координаты от кадра к кадру, что создает эффект мерцания или снежного вихря. Эти помехи создают дополнительную яркость фона изображения, что эквивалентно внешней засветке экрана. Вследствие этого снижается контраст изображения.
Для обеспечения высокого качества телевизионного изображения помехи первых трех групп должны быть сведены к минимуму, что возможно, так как они являются "посторонними", т.е. не зависят от процесса формирования ТВИ. Флуктуационные помехи являются органической частью процесса формирования ТВИ, они должны быть сведены до требуемого минимума при проектировании ТВ системы.
Для оценки влияния помех на качество ТВИ используют \\i критерий: \\i =20 \g(Ec/En действ.) , где Ее - номинальный размах ТВ сигнала (от уровня черного до уровня белого)іщдейств. - это действующее значение напряжения помехи в рабочей полосе частот. Считается, что « если \\) - 33 дБ, то качество ТВ системы отличное; при \\і = 30 дБ хорошее, при \/ = 27 дБ -удовлетворительное ]. Цифровое телевидение
Цифровое телевидение - это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляется с его преобразованием в цифровую форму. Применение методов и средств цифрового телевидения - новая ступень развития телевизионной техники, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением: о повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов; о повышение качества изображения и звука в телевизионных приемниках с обычным стандартом разложения; і о создание телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (в том числе и телевидения высокой четкости ТВЧ); расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при подготовке и проведении телевизионных передач; о передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приемника в многофункциональную информационную систему.
Эти преимущества обусловлены как самими принципами цифрового телевидения, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.
Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:
1. Высокая степень сжатия спектра цифрового телевизионного сигнала, достигаемая путем последовательного применения нескольких методов эффективного кодирования изображения и позволяющая передавать программы ТВ по стандартным наземным каналам телевизионного вещания с шириной полосы частот 6 МГц.
2. Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различным разрешением: видеотелефон с уменьшенной четкостью, стандартный сигнал ТВ с количеством строк 1050.
3. Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям.
Все современные телевизионные камеры строятся на основе полупроводниковых ПЗС матриц (ПЗС- прибор с зарядовой связью). Свет, попадающий на матрицу, преобразуется в электрический сигнал, который затем будет обрабатываться и выводиться на монитор.
Обоснование требований к средствам измерений и излучателям мощных электромагнитных полей
Расчет токов и напряжений, наведенных на проводящий объект, осуществляется с использованием интегрального уравнения электрического поля (ИУЭП) в частотном представлении [ 45 ]. При этом сначала вычисляются токи на частотах, а временная форма импульсов тока находится обратным преобразованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.
Интегральное уравнение электрического поля
При выводе ИУЭП полное электрическое поле представляется в виде суммы I падающего Е1 (поля без объекта) и рассеянного Е (обусловленного токами и зарядами, наведенными падающим полем на поверхности объекта) полей: Ё(г, t) = Ё(г) exp(jcot) = Iі +ES, (1) где - радиус-вектор точки пространства; со - частота падающего поля.
Рассеянное поле выражается через токи J(r) и заряды а(г) на поверхности проводника S через векторный магнитный потенциал А(?) и скалярный электрический потенциал Ф(г) следующим образом (опуская зависимость от времени): Ё5 (?) = -jcoA(r) - УФ(г), (2) где і A(f) = JLp(n«SfcWdS.; (3) 4;rsJ R Ф(?)=±-иГ) { -Ж = - l- fVsJ(f )eXpHkR)dS ; (4) 4TTSSJ R 47ijcoesJ s R к=2я/А, - волновое число; R = f — г - расстояние между произвольно расположенной точкой наблюдения ? и точкой источника г на поверхности проводника S; ц, s - параметры окружающей среды; Vs J - поверхностная дивергенция вектора J.
В уравнении (4) при замене поверхностной плотности заряда плотностью тока использовано уравнение неразрывности: Vs-J(f) = -jcoa(f). (5) Применяя к касательной составляющей электрического поля Е tan (?) на поверхности S импедансное граничное условие Леонтовича в виде [83]: Etan(?)=2sJ(f), (6) где Zs - поверхностный импеданс металла; получаем интегральное уравнение электрического поля: (jcoA(r) + VO(r))tan = Ё;ап - ZsJ(r), (7) где Е tan (f) - касательная к S составляющая падающего электрического поля. Заметим, что для идеально проводящих объектов ИУЭП имеет несколько более простой вид: (jcoA(r) + VO(f))tan=E;an. (7а)
Введение поверхностного импеданса позволяет при решении задач рассеяния или излучения моделировать элементы активного и реактивного сопротивления. j
Метод моментов для тонкопроволочных проводников
Для тонких протяженных проводников мы будем решать уравнение (7) методом моментов с использованием тонкопроволочного формализма. При этом исследуемая линия моделируется участками проволоки круглого сечения, и делаются следующие приближения: ток течет только в направлении оси проволоки; плотности тока и заряда аппроксимируются нитями тока Т и заряда а на оси проволоки; условие (6) применяется только к аксиальной компоненте поля на поверхности проволоки.
С целью численного решения уравнения (7) геометрия объекта аппроксимируется прямолинейными проволочными отрезками (рис.3.1). Каждому месту соединения двух проволочных отрезков (неграничному узлу) поставим в соответствие базисную функцию, отличную от нуля лишь на соответствующей паре отрезков, где она имеет вид (рис. 3.2): fn(?) = (8) ±(?п±-?) її где п - номер узла; знаки «-» и «+» в качестве индексов приписаны первому (Wn ) и второму (Wn+) отрезку в паре, соответственно; і/ - длина проволочного отрезка Wn1; ij -радиус-вектор второго (отличного от п-го узла) конца проволочного отрезка Wn . Рис. 3.1. Отрезок проволоки и его аппроксимация Рис. 3.2. Модуль базисной функции, соответствующей n-му узлу Ток на проволочной структуре аппроксимируется разложением по базисным функциям: N ї(и)«ЕУп. n=l...N, (9) n=l где N - число базисных функций (т.е. число неграничных узлов);
Применяя к левой и правой частям (7) процедуру взвешивания с использованием, согласно методу Галеркина, в качестве весовых функций базисные функции, получим N уравнений вида: jco(A,fm) + (vO,fm) = (Ei,fm)-/ I,fmy (10) где а - радиус проволоки, а произведение (f, gy двух функций, заданных на проволочной структуре, определено как (f,g)=Jf-gdl. (11) Переменная интегрирования 1 в (11) связана с осью проволочной структуры. Для избежания двойного интегрирования при вычислении интегралов в (10) функции Ф, Е и А аппроксимируем их значениями в серединах rm_ интервалов, в результате чего данные уравнения принимают вид: у fc А(гГ) +1" А(С))- 0(0 + Ф(С) + (12) +(l ! !m)4 Eiffi+)+Tm" E1(C)) Подстановка разложения тока (9) в выражения (3), (4) приводит к преобразованию уравнений (12) в систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):
Физико-математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с прводящими объектами
С использованием вышеописанного метода и разработанной на его основе программы решен ряд модельных задач по расчету взаимодействия электромагнитного поля с проводящими объектами.
Оценка воздействия сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля на печатные платы.
В последнее время, благодаря бурному развитию сверхширокополосной (СШП) связи и радиолокации и связанных с ним успехах в области генерирования сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ), создались предпосылки к созданию мобильных средств электромагнитного воздействия. Эти средства могут быть использованы для преднамеренного воздействия на жизненно важные элементы современной инфраструктуры і (системы связи и передачи информации, системы управления различными процессами, системы обеспечения безопасности) с целью шантажа или диверсии. В связи с этим возникает необходимость в исследованиях воздействия СШП импульсов на данные объекты и разработке методов и средств защиты от электромагнитного терроризма.
Существует ряд основных путей воздействия СШП ЭМИ на видеосистемы: проникновение внутрь защитных экранов токов, наведенных на внешние элементы -антенны и линии связи; прохождение полей через неоднородности в экранах - щели и отверстия; непосредственное воздействие полей на незащищенные элементы технических средств (печатные платы, чипы, проводники).
В данной работе мы рассматриваем методы расчета воздействия и результаты исследований применительно к элементам систем видеонаблюдения.
Оценка величины наводок на печатные платы, чипы и другие элементы технических систем J возможна с использованием расчетных методов[53].
Формулировка задачи
Под СШП, в соответствии с определением проекта международного стандарта МЭК 61000-2-13 [31 ], понимаются сигналы, имеющие относительную ширину спектра по уровню 3 дБ более 25%. Мы рассматриваем здесь СШП импульсы с явно выраженной временной зависимостью, формируемые излучающей антенной, возбуждаемой генератором импульсного напряжения. Как правило, СШП импульсы имеют общую длительность от сотен пикосекупд до нескольких наносекунд и содержат до нескольких «полупериодов» колебаний. Длительности фронта импульсов современных СШП излучателей лежат в диапазоне 1(ГШ -s- 109 с, амплитуды на расстояниях 10 м от раскрыва антенны могут достигать 100 кВ/м.
В качестве объектов воздействия рассматриваются проводящие структуры из проволоки круглого сечения, не имеющие точек ветвления, находящиеся в однородной непроводящей среде (воздух, вакуум). Направление распространения воздействующего электромагнитного поля - произвольное.
Метод моментов
Расчет токов, наводимых на проволочные структуры при воздействии сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля (ЭМП), - частный случай задачи о взаимодействии электромагнитного поля и проводящего объекта. Для решения данной задачи может быть использован метод моментов на основе интегрального уравнения электрического поля (ИУЭП). Мы используем здесь ИУЭП в частотном представлении [ 53 ]: (jcoA(r) + Vd (?))tan = Е;ап - zsJ(r), (29) где со - частота падающего поля; A(r) = - 0-) - . Ф(Г) = - -1-fvsJ(I )exP(-jkR)dS 4TUSJ R 47rjc0S R векторный магнитный и скалярный электрический потенциалы; J (?) - токи на поверхности проводника S; г - радиус-вектор точки пространства; к=2я/А, - волновое число; R = :? — : - расстояние между произвольно расположенной точкой наблюдения Г и точкой источника г на поверхности проводника S; Ёап (?) - касательная к S составляющая падающего электрического поля; Zs - поверхностный импеданс металла; ц, г - параметры окружающей среды; Vs -J - поверхностная дивергенция вектора J.
При решении уравнения (29 ) используется тонкопроволочное приближение. При этом геометрия объекта аппроксимируется прямолинейными проволочными отрезками, и каждому месту соединения двух проволочных отрезков (неграничному узлу) ставится в соответствие базисная функция, отличная от нуля лишь на соответствующей паре отрезков, где она имеет вид: = - -, (30) п где п - номер узла; знаки «-» и «+» в качестве индексов приписаны первому (Wn ) и второму (Wn+) отрезку в паре, соответственно; V - длина проволочного отрезка Wn"; Ij,- - радиус-вектор второго (отличного от п-го узла) конца проволочного отрезка Ток на проволочной структуре аппроксимируется разложением по базисным функциям : N l(C0) lnF„, n=l...N. (30а) n=l
Подстановка разложения в уравнение (1) и применение к нему процедуры взвешивания с использованием в качестве весовых функций базисных, согласно методу Галеркина [ ], приводит к системе линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов разложения 1п. Разрешая систему относительно неизвестных коэффициентов разложения (30а), получаем распределение токов на заданной частоте. Временная форма импульсов тока находится обратным преобразованием Фурье для свертки частотного представления токов со спектром воздействующего импульса поля.
Расчет токов для модельной геометрии
С использованием вышеописанного метода и разработанной на его основе программы решалась задача по расчету импульсного тока, наводимого в прямом отрезке проводника при воздействии импульсного ЭМП (рис. ЗЛО).
На рис. 3.11 представлены результаты расчета максимальных вдоль проволоки амплитуд тока для различных значений L в зависимости от параметра 0. Как можно видеть, данная величина растет с увеличением длины проводника. При достаточно большой длине L и значениях угла 0, близких к 90, в проводнике возбуждается бегущая волна тока, амплитуда которой растет за счет суммирования наводок на различные участки проводника. В обобщенном виде результаты оценки максимальных по 0 амплитуд наводимых импульсов тока в зависимости от длины проводника L представлены на рис. 3.12. Максимальная амплитуда тока для проводников длиной до 20 м при амплитуде воздействующего импульса 1 В/м-составила 5,5 мА.
Существующая экспериментальная база для оценки устойчивости СВ к воздействию СКИ ЭМП
Согласно классификации Карла Баума традиционные имитаторы ЭМИ делятся на три категории: волноводные (связанных волн), дипольные и гибридные [32 ]. Последние воспроизводят падающий ЭМИ высотного ЯВ (ядерного взрыва) совместно с его отражением от поверхности земли. Они наиболее достоверно имитируют воздействие высотного ЭМИ ЯВ. па наземные объекты.
В 90-х годах появился новый тип мощных электромагнитных воздействий неядерного происхождения - СКИ ЭМП. Они генерируются с помощью излучающих устройств и оказывают разрушительное действие на работу радиоэлектронной аппаратуры, в первую очередь компьютеризованной. По принятой классификации к СКИ ЭМП относятся импульсы, ширина спектра которых по отношению к средней частоте спектра на уровне 3 дБ превосходит 25%. Форма этих импульсов близка к униполярной или двуполярной. Подобных излучателей было разработано достаточно много, как в России, так и за рубежом.
В настоящей работе приведен краткий анализ структуры и особенностей так называемых ТЕМ ячеек, воспроизводящих ЭМИ в относительно малых объемах отрезков полоско-вых линий. Их развитие шло параллельно с развитием волноводных имитаторов ЭМИ и предназначались они в основном для калибровки датчиков ЭМИ, хотя с успехом могут использоваться при малых (десятки сантиметров) размерах объектов и для испытаний на стой-, кость к воздействию ЭМИ большой мощности. Основой анализа являются материалы, приведенные в работах [ 4,21,28,75 ].
Излучатели СКИ ЭМП
Под сверхширокополосными электромагнитными импульсами обычно понимаются импульсы длительностью в пределах 0,1 - 0,5 не. Это связано как с реальными длительностями фронта выходного напряжения существующих генераторов, возбуждающих антенны излучателей, так и с приемлемыми размерами антенн, обеспечивающих направленное излучение СКИ ЭМП (единицы метров).
Из табл. 4.1 следует, что в России технологии генерирования ЭМИ подобной длительности были разработаны в процессе создания имитаторов ЭМИ. Основное отличие имитаторов от излучателей СКИ ЭМП заключается в том, что имитаторы генерируют однократные ЭМИ, а излучатели СКИ ЭМП должны излучать импульсы с частотой следования до 1 кГц и более. Это предъявляет чрезвычайно жесткие требования к ресурсу, КПД и электрической прочности генераторов, возбуждающих антенну.
Второе отличие - в имитаторах ЭМИ с субнаносекундным фронтом рабочий объем расположен внутри конических линий, формирующих ЭМИ. Для излучателей СКИ ЭМП поле должно создаваться в свободном пространстве, т.е. фактически в дальней зоне. Краткий анализ антенн и генераторов, оптимальных для излучателей СКИ ЭМП приведен ниже.
Для конического вибратора над плоскостью фронт излучаемого сигнала совпадает с фронтом возбуждающего напряжения. Длительность излучаемого ЭМИ равна при этом времени распространения сигнала вдоль вибратора С/с, где С - длина образующей конуса. Через время С/с возбуждающий ток отражается от конца вибратора с обратным знаком, и начинает излучаться сигнал обратного знака. На этом принципе основан отечественный излучатель наносекундиых ЭМИ, описанный в работе [4 ]. Таким образом, для излучателя СКИ ЭМП с подобной антенной достаточно выбрать генератор с необходимым фронтом и установить необходимое значение параметра С. При длительности СКИ ЭМП 300 пс длина С составит всего 9 см. Очевидно, что излучатель этого типа целесообразен только для задач, требующих всеиаправленного излучения ЭМИ, например, для сотовых телефонов. Для испытаний технических средств на стойкость к воздействию СКИ ЭМП он непригоден из-за нерационального расхода излучаемой энергии.
Если в биконической антенне с большими значениями угла Во вырезать из 360 азимутальный сектор с угловой шириной в несколько десятков градусов, то мы получаем ТЕМ рупор. Очевидно, что при возбуждении рупора в его вершине основная часть энергии устрем-ляется к раскрыву рупора. Однако, в отличие от биконуса, простых аналитических решений для расчета нестационарного поля излучения рупора нет. Точный численный расчет весьма сложен. Даже вопрос о волновом сопротивлении рупора вызывал определенные трудности.
В связи с практикой создания мощных направленных излучателей СКИ ЭМП в начале 90-х годов была решена задача разработки простого и достаточно точного метода расчета нестационарных полей от ТЕМ рупора. В соответствии с давней традицией разработки имитаторов ЭМИ ЯВ наиболее значимыми параметрами сигнала считаются длительность фронта, амплитуда и длительность импульса. Предполагалось, что данные расчета и эксперимента будут сравниваться именно по этим параметрам.
Идея метода заключалась в следующем. Линии тока веером расходятся от вершины рупора к раскрыву, и ток в линиях нарастает к краям рупора по известному закону. В этих условиях рупор может быть заменен веером тонких V-образных антенн, повторяющих линии тока при том же его распределении по величине. Через время С/с (С - длина плеча V-образной антенны) ток должен отразиться от разомкнутого конца. Этот ток в рассматривае- мой модели рассчитан быть не может. В действительности отраженный ток имеет более пологий фронт из-за преимущественного излучения высокочастотных составляющих. Однако в модели предполагается два варианта: ток отражается без потерь и ток теряется полностью, т.е. антенна как бы согласована на конце, затем оба варианта сравниваются с экспериментом.
