Содержание к диссертации
Введение
1. Пик извещатели. основные характеристики и нормативные документы 12
1.1. Анализ основных характеристик ПИК извещателей 15
1.1.1. Оптическая система 16
1.1.2. Диаграмма направленности 18
1.1.3. Пироэлектрический приемник 21
1.1.4. Схема обработки сигнала 24
1.1.5. Алгоритмы обработки сигналов в ПИК извещателях 26
1.2. Государственные, межгосударственные и международные стандарты 29
1.2.1. Государственный стандарт РФ 31
1.2.2. Методика испытаний согласно стандарту РФ 35
1.2.3. Европейский стандарт 37
1.2.4. Методика испытаний согласно европейскому стандарту 42
1.2.5. Стандарт США 48
1.2.6. Методика испытаний согласно стандарту США 49
1.3. Эффективность ПИК извещателей 51
1.3.1. Критерии эффективности 51
1.3.2. Вероятность обнаружения 53
Заключение по главе 56
2. Модель нарушителя системы физической защиты 58
2.1. Факторы, влияющие на ВО 58
2.1.1. Окружающие условия 59
2.1.2. Активные воздействия 61
2.1.3. Пассивные воздействия нарушителя 62
2.2. Модели нарушителя системы физической защиты 65
2.2.1. Модели нарушителя 66
2.2.2. Термограмма нарушителя 69
2.2.3. Анализ распределения мощности ИК излучения по телу нарушителя з
2.2.4. Основные способы маскировки ИК излучения 75
2.3. Исследование влияния пассивных воздействий нарушителя на ВО 78
2.3.1. Влияние характера движения нарушителя на ВО 79
2.3.2. Влияние снижения уровня ИК излучения нарушителя на ВО 82
Заключение по главе 90
3. Исследование вероятности обнаружения нарушителя 92
3.1. Анализ структуры диаграммы направленности ПИК извещателя 93
3.2. Разработка методики оценки ВО 96
3.3. Условия проведения экспериментальных исследований ПИК
извещателей 99
3.4. Результаты лабораторных испытаний образцов ПИК извещателей 102
3.4.1. Тангенциальное направление движения цели 103
3.4.2. Радиальное направление движения цели 105
3.4.3. Размеры зон обнаружения 107
Заключение по главе 108
4. Разработка пик извещателя, инвариантого к направлению движения цели 110
4.1. Критерии и ограничения 111
4.2. Разработка алгоритма обработки сигналов ПИК извещателя 115
4.3. Разработка структурной схемы 118
4.4. Результаты испытаний разработанного ПИК извещателя 123
4.5. Влияние ВО извещателя на эффективность СФЗ 126
Заключение по главе 127
Заключение 128
Список литературы 130
- Пироэлектрический приемник
- Активные воздействия
- Разработка методики оценки ВО
- Разработка алгоритма обработки сигналов ПИК извещателя
Введение к работе
Актуальность темы
Эффективность системы физической защиты (СФЗ) объектов информатизации (ОИ), как одного из основных элементов защиты информации (наряду с криптографической, правовой и технической), в значительной мере зависит от параметров средств обнаружения (СО), входящих в состав указанной СФЗ, и в частности, от вероятности обнаружения (ВО) ими несанкционированных действий, одним из примеров которых, например, является проникновение (НП) на защищаемый ОИ с целью несанкционированного доступа к средствам и системам обработки, хранения и передачи информации. К упомянутым ОИ, в соотвествии с ГОСТ Р, относится совокупность средств и систем обработки информации, а также средств их обеспечения, помещений или объектов (зданий, сооружений, технических средств), в которых эти средства и системы установлены, или помещений и объектов, предназначенных для ведения конфиденциальных переговоров.
Одним из важнейших аспектов задач, связанных с построением СФЗ ОИ, является обеспечение надежного обнаружения НП, т.е. обеспечения требуемого уровня физической защиты систем и объектов формирования и предоставления пользователям информационных ресурсов. А это невозможно без соотвествующих средств обнаружения НП, которые являются неотъемлемыми устройствами любой СФЗ. Основной характеристикой, определяющей эффективность СО, является ВО. В случае с такими СО, как извещатели СФЗ, указанная вероятность зависит от ряда факторов, различных по своей природе.
В настоящее время наиболее широко используемым СО СФЗ является пассивный инфракрасный (ПИК) извещатель. Требования к таким извещателям установлены в соответствующих государственных стандартах. Однако, российский стандарт не предусматривает требования для обнаружения указанными извещателями движения нарушителя в радиальном направлении относительно луча диаграммы направленности (ДН) ПИК извещателя, то есть в наименее выгодном с точки зрения ВО. В то же время, при НП нарушитель может перемещаться по ОИ в любом направлении, в том числе и в наиболее уязвимом для извещателя СФЗ.
Таким образом, представляется актуальной оценка характера изменения ВО при различных условиях проникновения нарушителя на защищаемый ОИ, а также разработка ПИК извещателя, инвариантного к направлению движения нарушителя. Наиболее востребованным это может быть в случае обеспечения защиты особо важных ОИ, попытки проникновения на которые с высокой
вероятностью могут быть предприняты подготовленными нарушителями. В рамках данной диссертационной работы исследованы вероятностные характеристики ПИК извещателей при различных параметрах движения нарушителя и разработан соответствующий извещатель, ВО которым нарушителя мало зависит от направления движения последнего.
Цель работы состоит в повышении защищенности ОИ, путем увеличения надежности обнаружения попыток несанкционированного доступа к средствам и системам обработки, хранения и передачи информации посредством совершенствования параметров ПИК извещателей.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке методики оценки эффективности СО, позволяющей получить оценки ВО при различных параметрах движения нарушителя, и исследовании характеристик ПИК извещателей на основе этой методики, что позволяет повысить защищенность ОИ.
Основные задачи исследования
-
Анализ основных функциональных характеристик ПИК извещателей, существующих методик их измерения и основных алгоритмов обработки сигналов в ПИК извещателях.
-
Исследование соответствия основных параметров моделей и реального нарушителя СФЗ ОИ, в том числе, подготовленного, влияющих на вероятность его обнаружения ПИК извещателями.
-
Разработка методики оценки ВО нарушителя ПИК извещателями и исследование существующих извещателей с целью выявления их уязвимостей.
-
Исследование возможности создания ПИК извещателя, инвариантного к направлению движения нарушителя.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы были использованы методы экспериментального исследования ВО ПИК извещателей; теоретические методы теории вероятностей, математической статистики; методы и средства обработки данных пакетов прикладных программ Microsoft Office и Mathcad.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Используемые в настоящее время в ПИК извещателях ДН и алгоритмы обработки сигналов приводят к зависимости ВО от направления движения цели и, как следствие, к высокой вероятности пропуска нарушителя, особенно подготовленного.
-
Перераспределение уровня теплового излучения, вызванное применением подготовленным нарушителем средств маскировки, приводит к существенному снижению ВО, и, как следствие, к необходимости корректировки алгоритмов обработки сигналов ПИК извещателей в таких
условиях.
-
Анализ ВО НП нарушителя при различных параметрах движения последнего может выполняться на основе использования плотности вероятности расстояния обнаружения.
-
Использование четырехэлементного пироэлектрического приемника с раздельными выходами от каждого элемента с последующей попарной ортогональной обработкой выходных сигналов элементов позволяет достичь близкой к равномерной ВО нарушителя, двигающегося в разном направлении.
Научная новизна
-
Выполнен анализ основных характеристик ПИК извещателей и методик проведения их испытаний согласно действующим стандартам, выявлены недостатки указанных методик, связанные с особенностями обнаружения подготовленного нарушителя.
-
Предложен метод анализа ВО нарушителя ПИК извещателем, позволяющий получить оценки ВО в различных реальных ситуациях на ОИ. На основе этого метода выполнены экспериментальные исследования ВО нарушителя при различных параметрах движения последнего.
-
Исследованы модели и получены термограммы нарушителя, на основании которых исследованы возможные способы и средства снижения нарушителем уровня излучаемого им инфракрасного излучения, и, как следствие, вероятности своего обнаружения.
-
Предложены алгоритм ортогональной обработки сигналов пироэлектрического приемника и структурная схема ПИК извещателя, реализующая указанный алгоритм, обеспечивающие близкую к равномерной ВО нарушителя, как при радиальном, так и тангенциальном направлении движения последнего относительно лучей ДН извещателя.
-
Предложен метод, позволяющий адаптивно менять форму ДН за счет использования многоэлементного пироэлектрического приемника с раздельными выходами.
Практическая ценность
-
Предложенная методика оценки ВО нарушителя дает возможность получать объективные оценки ВО нарушителя в реальных СФЗ ОИ.
-
Полученные экспериментальные результаты исследования ВО ПИК извещателями могут использоваться в различных практических ситуациях синтеза и анализа СФЗ ОИ.
-
Полученные термограммы нарушителей СФЗ позволяют оценить степень соответствия моделей реальным нарушителям, а также возможность маскировки для снижения ВО ПИК извещателями.
-
На основании полученных результатов разработана структурная схема
ПИК извещателя, реализующая предложенный алгоритм попарной ортогональной обработки сигналов ПИК извещателя со слабой зависимостью от направления движения цели.
Реализация результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ЗАО «РИЭЛТА» при разработке и испытании новых образцов ПИК извещателей, ЗАО «Эврика» при разработке методики оценки уязвимости ПИК извещателей обнаружения НП на ОИ. Материалы работы используются в учебном процессе Национального исследовательского университета Информационных технологий, механики и оптики при проведении практических занятий и чтении лекций по дисциплинам «Системы охранной сигнализации» и «Интегрированные системы безопасности» при подготовке магистров-инженеров по направлению 22320003 «Оптоэлектронные системы безопасности».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию в ходе докладов и их обсуждения на региональных, международных и всероссийских научно-технических конференциях и конгрессах: Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.), Международная научно-практическая конференция «Охрана, безопасность, связь» (г. Воронеж, 2012, 2013, 2014 гг.), Всероссийский конгресс молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2013, 2014 гг.).
Публикации
Всего по теме диссертации опубликовано девять работ. Три статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК) при Министерстве образования и науки Российской Федерации, две статьи в иных изданиях. Сделано девять докладов, тезисы по четырем из которых опубликованы в сборниках материалов международных научно-практических конференций и всероссийских конгрессов молодых ученых.
Диссертация соответствует специальности 05.13.19 по п. 2, предусматривающему методы, аппаратно-программные и организационные средства защиты систем (объектов) формирования и предоставления пользователям информационных ресурсов различного вида и по п. 13, предусматривающему принципы и решения (технические, математические, организационные и др.) по созданию новых и совершенствованию существующих средств защиты информации и обеспечения информационной безопасности.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного содержания, заключения, списка литературы из 64 наименований и приложения; содержит 139 страниц, 49 рисунков и 9 таблиц.
Пироэлектрический приемник
В виду непрерывного роста масштабов информационных, криминально-террористических, и других угроз проблема обеспечения физической безопасности ОИ, в том числе важных и особо важных объектов Российской Федерации, остается чрезвычайно актуальной. Очевидно, что решение задачи достижения необходимого уровня информационной безопасности ОИ зависит в значительной степени и от параметров СФЗ. В свою очередь к одному из основных параметров СФЗ необходимо отнести ВО попыток проникновения на ОИ для получения несанкционированного доступа к системам и объектам формирования и предоставления пользователям информационных ресурсов или помещений и объектов, предназначенных для ведения конфиденциальных переговоров. В такой ситуации особое внимание стоит уделять вопросам оценки ВО несанкционированного проникновения средствами обнаружения систем физической защиты ОИ.
Сегодня, как в России, так и во всем мире, применение методологии анализа эффективности и уязвимости СО при построении СФЗ становится общепринятым стандартом среди специалистов. В некоторых источниках информации, например [17], рассматриваются особенности решения задачи синтеза структуры СФЗ с точки зрения минимизации влияния на входящих в ее состав СО различных воздействий, оказываемых нарушителем, но без учета оценки степени уменьшения ВО НП. Поэтому представляется целесообразной разработка методики количественной оценки ВО такими устройствами в разных условиях реализации НП. Это позволит корректнее решать задачи анализа и синтеза структуры СО рассматриваемых угроз, а также оценки их эффективности.
В СФЗ в качестве основного СО наиболее широкое распространение получили ПИК извещатели. Это связано с тем, что они обеспечивают достаточно высокую эффективность обнаружения нарушителей СФЗ при относительно простой конструкции и, как следствие, невысокой цене. ПИК извещатели, согласно [4] именуемые также оптико-электронными ПИК извещателями, относятся к классу устройств обнаружения движения и реагируют на изменение интенсивности теплового излучения, попадающего на чувствительный элемент (ЧЭ) извещателя. Принцип действия указанных извещателей основан на регистрации изменения с течением времени разницы между интенсивностью инфракрасного (ИК) излучения движущегося объекта и соответствующей интенсивностью ИК излучения фона.
Необходимым условием для срабатывания ПИК извещателя является изменение уровня ИК излучения из контролируемой зоны, вызванное перемещением источника такого излучения. При этом, если поверхностная температура объекта, вторгшегося в указанную контролируемую зону, полностью совпадает с температурой фона в охраняемом помещении, то обнаружение такого объекта ПИК извещателем невозможно.
Ниже на рисунке 1.1 показана обобщенная структурная схема, иллюстрирующая принцип действия и устройство любого ПИК извещателя.
В частности, на приведенном выше рисунке 1.1 схематически показана конструкция ПИК извещателя, в состав которого входят: оптическая система (ОС), которая фокусирует ИК излучение, в том числе излучаемое нарушителем СФЗ, из ограниченной ДН области на элементы (ПЭ) пироэлектрического приемника, который преобразует регистрируемое им ИК излучение в электрический сигнал, который далее подвергается обработке в схеме обработки сигнала (СОС) в соответствии с заранее заданным алгоритмом, а также исполнительный элемент (ИЭ), который ответственен за «принятие» указанным ПИК извещателем решения о выдаче сигнала тревоги на основании результата обработки сигнала в СОС.
К ведущим предприятиям по разработке и производству технических СО для СФЗ, в том числе ПИК извещателей, занимающим лидирующие позиции по объемам продаж, новизне разработок и принадлежащему им объему интеллектуальной собственности в данной области, можно отнести те, что указаны в нижеприведенных Таблицах 1.1 и 1.2.
Стоит отметить, что зарубежными специалистами в области систем безопасности (СБ) при проектировании СФЗ в качестве основного СО нарушителя чаще всего применяются извещатели с ПИК каналом обнаружения, поэтому зарубежные производители особое внимание уделяют разработке и производству как извещателей, имеющих одиночный ПИК канал обнаружения движения, так и извещателей комбинированного типа, у которых ПИК канал обнаружения движения скомбинирован с каналом другого физического принципа действия, например, радиоволнового или ультразвукового.
В то же время российские производители выпускают более широкий ассортимент СО, чем зарубежные, однако основную его часть также составляют извещатели ПИК типа.
Несмотря на то, что согласно [18] под характеристиками ПИК извещателя следует понимать около 28 различных параметров, не все из них являются основополагающими для выбора конкретного СО при разработке СФЗ. Другими словами, не все характеристики ПИК извещателя являются значимыми с точки зрения его эффективности. На основании краткого описания принципа работы ПИК извещателя, приведенного в предыдущем разделе 1.2., в качестве основных компонентов конструкции ПИК извещателя можно выделить:
В настоящее время в ПИК извещателях используются два основных типа ОС – зеркальные ОС и рефракционные ОС, например, сложные составные линзы Френеля [19]. В ПИК извещателях с ОС первого типа ИК излучение проходит через защитный фильтр, предназначенный для защиты от засветки солнечным светом и зачастую являющийся также и элементом корпуса извещателя, отражается от зеркала и попадает на ПЭ. При этом выполненное в форме единого целого зеркало по существу состоит из множества отдельных зеркал, каждое из которых формирует соответствующий луч ДН и фокусирует попадающее в такой луч ИК излучение на пироприемник.
Одним из преимуществ зеркальной оптики перед линзой Френеля является то, что в зеркальной ОС можно легко получить различные фокусные расстояния для ближних, средних и дальних рубежей или зон ДН. Другими словами, зеркальная ОС позволяет обеспечить фокусные расстояния, в несколько раз отличающиеся между собой для ближних и дальних зон ДН, что конструктивно невозможно обеспечить в ОС на основе линзы Френеля. Таким образом, зеркальная ОС обеспечивает одинаковую проекцию цели на пироприемник вне зависимости от расстояния, на котором указанная цель перемещается относительно ПИК извещателя. Иными словами, зеркальная ОС способна обеспечить равномерную чувствительность по всем рубежам или зонам ДН.
Другим преимуществом является то, что зеркальная оптика обеспечивает большую точность фокусировки и, следовательно, чувствительность, что позволяет обеспечить возможность обнаружения нарушителя на больших расстояниях. Указанные преимущества обусловлены тем, что в извещателях с зеркальной ОС чувствительные зоны (лучи) пересекаются во входном окне, которое может быть изготовлено гораздо меньших размеров, чем линза Френеля, в случае которой вся линза целиком и является входным окном ОС. В результате чего, влияние помех, таких как, например, солнечный свет, ветер или воздушные потоки, на такое входное окно уменьшено, а воздействие вышеуказанных помех при этом легче скомпенсировать, а в ряде случаев оно и вовсе не нуждается в компенсации.
Линзы Френеля изготавливают из прозрачного для ИК излучения материала, полиэтилена, а их структура, как правило, напоминает фасеточный орган зрения насекомых. В ПИК извещателях, использующих в качестве ОС такую линзу, ИК излучение проходит через последнюю и фокусируется непосредственно на ПЭ. Для формирования лучей ДН такая линза имеет сложную структуру, ее делают сегментированной, то есть состоящей из множества сегментов, разделенных, в свою очередь, на еще более мелкие сегменты, каждый из которых формирует луч ДН соответствующего размера и пространственной ориентации. Главными преимуществами данного типа ОС являются возможность организации их серийного производства, простота в изготовлении и обработке. Второстепенным преимуществом рефракционных линз Френеля перед зеркальными ОС является более низкая себестоимость.
Активные воздействия
Безусловно стоит отметить и то, что стандарт [32] для всех классов безопасности требует проведения испытаний по обнаружению движения цели под углом ± 45 относительно радиального направления на извещатель.
Кроме того, европейский стандарт для ПИК извещателей предусматривает ряд требований по устойчивости к следующим воздействиям: перепады температуры и влажности, попадание воды, механический удар, вибрация, электромагнитные помехи, коррозия. Таким образом, можно сделать вывод о том, что список требований согласно данному документу шире соответствующего списка российского стандарта. Однако, справедливым будет отметить тот факт, что выполнение приведенных в [32] требований минимизирует влияние лишь таких внешних факторов, как окружающие условия и методы активного воздействия нарушителя. В то же время сертифицированный в соответствии с [32] извещатель может оказаться бесполезным в случае применения нарушителем методов пассивного воздействия, позволив такому нарушителю осуществить НП без обнаружения.
Что касается цели, то европейский стандарт предусматривает два ее воплощения – стандартную цель, то есть человека, и имитатор стандартной цели.
Требования к стандартной цели, в части антропометрических данных, заключаются в том, что рост человека должен составлять 160…185 см, а масса тела должна быть 60…80 кг. При этом на человеке должна быть надета плотно облегающая одежда, 80 % излучения которой должно приходиться на диапазон длин волн 8…14 нм.
В соответствии с [32], вместо стандартной цели также допускается использование имитатора (условно говоря, робота) при условии, что распределение температуры по его поверхности будет соответствовать распределению температуры по поверхности стандартной цели, то есть человека.
Оценка указанного распределения выполняется посредством бесконтактного измерения значения температуры фронтальной поверхности человека в пяти различных частях тела последнего, в частности, в области головы, грудной клетки, тыльных сторон кистей рук, коленей и стоп. Полученные значения поверхностных температур точек, принадлежащих указанным областям, позволяют вычислить действительную усредненную температурную разность Dtr по следующей формуле: (1.2) где – температурная разность, – весовой коэффициент для соответствующей области тела человека или имитатора.
Испытания ПИК извещателя проводят при условии, что вычисленная по формуле 1.2 действительная усредненная температурная разность соответствует значению 3,5 C ± 20 %, то есть лежит в интервале значений 2,8…4,2 C. Если данное условие не выполняется, то рассматривается конкретная сложившаяся ситуация, а именно: (а) если значение превышает 4,2 C, то при помощи одного из приведенных в европейском стандарте способов для каждой ситуации в отдельности рассчитывается эквивалентная температурная разность ; (б) если значение составляет ниже 2,8 C, то испытания не проводятся вовсе, или же результаты таких испытаний не могут быть признаны действительными.
Забегая немного вперед, целесообразно отметить то, что несмотря на некоторые упущения в европейском стандарте, в целом, из всех рассмотренных в данном разделе стандартов наиболее комплексно разработанным является именно европейский стандарт [32], с оглядкой на который для ПИК извещателей разрабатываются многие другие стандарты как государственного, так и локального уровня.
Согласно европейскому стандарту [32], в помещении, где проводятся испытания ПИК извещателей, должны быть соблюдены следующие условия – температура воздуха в помещении должна быть в диапазоне +15...25 C; относительная влажность воздуха 25...75 %; атмосферное давление 86...106 кПа. Извещатель устанавливают на высоте 2 м от пола, если иного не указано в заводской инструкции по установке, и подключают к специальному оборудованию для отслеживания сигнала тревоги, выдаваемого извещателем.
По границе заявленной производителем ЗО извещателя размещаются контрольные точки. Отсчет контрольных точек начинается в обе стороны от извещателя и идет до оси ЗО с интервалом 2 м друг от друга. Если расстояние между последними точками составляет более 2 м, то последняя точка располагается на оси ЗО. Извещатели класса 1 допускается тестировать в точках, расположенных через одну от предыдущих. Из каждой контрольной точки имитируется два НП в направлениях под углом ±45 к нормали границы ЗО. Движение должно начинаться за 1,5 м до и заканчиваться не далее 1,5 м после контрольной точки. Каждое НП в одном направлении является отдельным тестом контрольной точки. Такой тест считается выполненным, если извещатель выдал сигнал тревоги с первой попытки. Если этого не произошло, то производится четыре дополнительных НП через указанную контрольную точку в данном направлении, каждый из которых должен вызвать срабатывание извещателя. Таким образом, извещатель должен сработать при пересечении каждой контрольной точки в двух направлениях.
Схематическое изображение методики испытания извещателя на обнаружение движения цели внутри ЗО представлено на рисунке 1.10. Рисунок 1.10 – Схема испытания извещателя на обнаружение перемещения цели внутри ЗО
ЗО условно делится сеткой с квадратам 2х2 м. Первая контрольная точка располагается на центральной оси в 4 м от извещателя. Последующие контрольные точки располагаются в шахматном порядке на пересечении линий указанных квадратов с каждой стороны от центральной оси. Все точки должны располагаться не далее 1 м от границы ЗО и не должны находиться за пределами последней. Как и в предыдущем испытании, каждая контрольная точка должна испытываться для двух направлений под углом ±45 к радиальной линии, соединяющей указанную точку и извещатель. Расстояние перемещения цели и количество НП такие же, как и в испытании на пересечение границ ЗО.
Схематическое изображение методики испытания извещателя на обнаружение движения цели в антисаботажной зоне представлено на рисунке 1.11. Рисунок 1.11 – Схема испытания извещателя на обнаружение перемещения цели в антисаботажной зоне Согласно стандарту [32] данное испытание должно проводиться для извещателей всех классов, причем для извещателей 3 и 4 классов цель должна перемещаться ползком на четвереньках. Цель должна перемещаться перпендикулярно центральной оси ЗО на расстоянии 2 ± 0,2 м от извещателей 1 и 2 класса и 0,5 ± 0,05 м от извещателей 3 и 4 класса. Движение должно начинаться и заканчиваться за пределами ЗО. Извещатель должен обнаруживать цель при ее движении в обоих направлениях.
Разработка методики оценки ВО
Стоит отметить, что, как и любое тело с температурой выше абсолютного нуля (273 К), человек имеет собственное электромагнитное излучение в широком спектре длин волн [47]. При нормальных условиях, температура поверхности тела человека в различных его частях находится в диапазоне 27…36 С, наименьшая температура фиксируется в ногах – в области стоп ( 27…28 С), а сравнительно высокая – на шее вблизи сонной артерии ( 34 С) [48]. Основная часть ИК излучения человека лежит в спектральной полосе длин волн 4…50 мкм. Помимо ИК излучения, человек также является источником излучения видимого диапазона [49], а также источником микроволнового излучения [50], однако интенсивность последних двух излучений на несколько порядков ниже интенсивности теплового излучения. В этой связи, использование ПИК извещателей в качестве СО движения нарушителя СФЗ представляется очевидным и оправданным решением.
В работе [51] при помощи дистанционного приемника ИК излучения – тепловизора FLIR Titanium 520M (FC7000) – была получена2 термограмма реальной цели (человека), изображенного на рисунке 2.1(а). Экспериментальные исследования проводились в специальной лаборатории вдали от источников теплового излучения и с температурой воздуха внутри помещения порядка 23 C, при относительной влажности воздуха 45 %. Антропометрические данные человека: рост – 180 см, масса тела –75 кг. Совместно с Р.Р. Трапшем (а) (б) Рисунок 2.1 – Портрет человека в спектрах видимого (а) и ИК (б) излучения На рисунке 2.1(б) показан тепловой портрет того же человека, одетого в кожаные ботинки, джинсовые штаны и хлопковую рубашку с длинным рукавом. Как и следовало ожидать, наибольшую температуру имеют открытые, незащищенные одеждой, участки, а именно – голова, шея, кисти рук. Температура указанных частей тела находится в диапазоне 35…36,5 C, что обеспечивает хороший температурный контраст относительно фона, температура которого в помещении, как правило, лежит в интервале 18…25 C. Кроме того, в сравнении с фоном, источниками повышенного теплового излучения также являются места плотного прилегания одежды к телу, например, плечи, пояс и ступни.
На основании полученного теплового портрета, были определены минимальные и максимальные значения температур различных участков тела человека, которые приведены в таблице 2.1.
Анализ распределения мощности ИК излучения по телу нарушителя Тепловое излучение человека, в целом, представляет собой его тепловые потери, численное значение которых соответствует разности испущенного телом человека и поглощенного окружающей средой потока излучения. Мощность излучательных тепловых потерь человека можно рассчитать по следующей формуле [52]: (2.1) где S – площадь поверхности; – приведенный коэффициент поглощения кожи (одежды), рассматриваемой как серое тело; Т1 – температура поверхности тела (одежды) человека в [K]; Т0 – температура окружающей среды в [K].
При этом указанный коэффициент рассчитывают по формуле: (2.2) где – коэффициент поглощения; а – постоянная Стефана-Больцмана, Очевидно, что при перемещении по ЗО нарушитель не будет постоянно находиться в пределах одной чувствительной зоны луча ДН целиком. Наоборот, площадь перекрытия лучом ДН тела нарушителя будет меняться, в результате чего будет варьировать и мощность фокусируемого на пироприемнике излучения. Иными словами, формируемый пироприемником ПИК извещателя сигнал позволяет оценить мощность ИК излучения только той площади тела нарушителя, которая попала в сечение, по меньшей мере, одной формируемой ЧЭ пироприемника чувствительной зоны. Следовательно, в вопросе оценки ВО НП следует учитывать не только суммарную мощность регистрируемого излучения, но и вклад отдельных частей тела человека в указанную мощность.
В работе [53] говорится о том, что вклад PИСn Ц таких различных частей поверхности тела человека в общую мощность излучения PИС Ц может существенно меняться при изменении фоновой температуры. Упомянутое изменение частично учтено в рассмотренном выше европейском стандарте [32] за счет измерения температур различных частей тела человека и усреднения их значений с фиксированными коэффициентами Wi . Однако, как показано в работе [53], возможно перераспределение вклада каждой из указанных частей тела (головы, грудной клетки, кистей рук, коленей, ступней) в суммарную мощность излучения при изменении фоновой температуры. Таким образом, помимо температурной разности между фоном и человеком необходимо учитывать также конкретные значения температуры фона.
Поскольку при частичном перекрытии телом человека пары чувствительных зон луча ДН ПИК извещателя уровень сигнала будет падать за счет разностной обработки, то для предварительной оценки характера изменения и перераспределения мощности излучения частей тела человека допустим, что человек (нарушитель) полностью находится в пределах одной чувствительной зоны луча ДН ПИК извещателя. В таком случае, другая чувствительная зона луча ДН будет учитывать только температуру фоновой поверхности, то есть в пределах одного луча будет обеспечиваться равенство площадей поверхности фонового излучения и поверхности излучения цели. Такой подход позволит оценивать исключительно температурные параметры цели. С учетом того, что абсолютное значение фоновой температуры Тф в градусах Кельвина значительно больше разности AT температур фона и цели, а составляющими с более низкими степенями фоновой температуры можно пренебречь, справедливо следующее: АРИ КГ AT (2.3) где коэффициент пропорциональности К учитывает соответствующие коэффициент и площадь S из формулы 2.1. Таким образом, разностная мощность излучения зависит как от разницы температур фона и цели, так и от самого значения Тф фоновой температуры. Однако, при этом следует учесть, что в действительности для случая реального нарушителя разность температур непостоянна по поверхности его тела, то есть AT ф const. Оценить степень АРИп влияния перераспределения разностных мощностей излучения от отдельных частей тела СЦ можно, например, при помощи соответствующих графиков для разностной мощности АРНп , нормированной к максимальному значению, полученных в работе [53] и представленных на рисунке
Разработка алгоритма обработки сигналов ПИК извещателя
Приведенные в предыдущей главе результаты выполненных экспериментальных исследований ПИК извещателей на предмет оценки ВО ими НП свидетельствуют о недостаточной способности таких извещателей, сертифицируемых по существующим стандартам, в ряде случаев противостоять подготовленному нарушителю. Одним из таких случаев, например, является движение нарушителя в радиальном направлении, то есть в направлении на извещатель. В частности, двигаясь в таком направлении, нарушитель может пройти значительную дистанцию (достаточную, например, для осуществления НД) в пределах охраняемого пространства и остаться необнаруженным. Более того, при движении в пределах ЗО ПИК извещателя нарушитель может многократно изменять направление движения, однако, периодически двигаясь при этом в радиальном направлении, нарушитель может по существу пересечь всю ЗО без срабатывания извещателя, то есть может остаться необнаруженным. Другими словами, на практике ПИК извещатель обеспечивает низкую ВО подготовленного нарушителя, а в наихудшем случае и вовсе не решает задачу по его обнаружению.
С учетом данного недостатка, при проектировании СФЗ с использованием ПИК извещателей, принято соблюдать правила, согласно которым указанный тип извещателей необходимо устанавливать так, чтобы при входе в ЗО извещателя предполагаемый злоумышленник был вынужден двигаться в тангенциальном направлении относительно лучей ДН ПИК извещателя с сопровождающимся неизбежным пересечением пар лучей ДН, вызывая, тем самым, срабатывание извещателя и, соответственно, приведение СФЗ в режим тревоги.
Таким образом, поскольку указанный недостаток, присущий известным типам ПИК извещателей, накладывает определенные ограничения при проектировании и установке СФЗ, то целесообразным представляется решение задачи, направленной на создание специального алгоритма обработки сигналов ПИК извещателя, обеспечивающего близкую к равномерной чувствительность к обнаружению нарушителя, перемещающегося как поперек, так и вдоль направления на извещатель, а также самого ПИК извещателя, реализующего указанный алгоритм. Другими словами, необходима разработка ПИК извещателя, ВО которым будет мало зависеть от направления движения цели
Рассмотрим некоторые вопросы разработки ПИК извещателя, инвариантного к направлению движения цели. В первую очередь это относится к формулировке критериев, используемых для решения поставленной задачи, а также ограничений при её решении6.
Учтем следующие соображения при формулировке ограничений на процедуру разработки рассматриваемого извещателя.
Прежде всего необходимо отметить, что требуется решить задачу не просто разработки устройства с ПИК каналом обнаружения, инвариантного к направлению движения нарушителя, а разработать устройство, которое целесообразно будет внедрять в производство. С этой точки зрения необходимо выделить две составляющих ограничений.
Первой является экономическая. Очевидно, что производство должно быть оправдано с финансовой точки зрения. А это значит, что стоимость новых устройств должна быть соизмерима со стоимостью существующих и выпускаемых в настоящее время. Ясно, что речь идет об устройствах одного ценового класса и с близкими функциональными характеристиками. В противном случае (разработка устройства с заметно более высокой ценой при тех же параметрах) его использование будет явно иметь ограниченное распространение, например, на объектах повышенной категории надежности. Такие устройства, конечно, также необходимы, но в существенно меньшем, ограниченном, объеме. Совместно с В.В. Волхонским 112 Из первой, экономической, составляющей, следует вторая - техническая, к которой можно отнести следующие ограничения: (а) сохранение основных принципиальных параметров ОС с тем, чтобы ее возможные изменения не приводили к сколько-нибудь заметному увеличению производственных издержек, а, следовательно, и стоимости; (б) сохранение габаритов устройства или, по крайней мере, несущественное их изменение. В идеальном случае желательно синтезировать устройство с использованием той же ОС и тем же корпусом, что используются в существующих устройствах. Критерии К сожалению, с учетом сформулированных ограничений, физического принципа действия, конструктивных особенностей, специфики применения ПИК извещателей, а также высокой степени неопределенности параметров реальных сигналов и их нестационарности, достичь полной инвариантности практически невозможно. Поэтому необходимо говорить о некоторых допусках на разницу в расстоянии обнаружения нарушителя, движущегося в разных направлениях тангенциальном , диагональном и радиальном . Оценим ориентировочные значения . Эти оценки можно сделать на основе результатов работ [56, 61]. В существующих устройствах, как показано в упомянутых работах эта разница может быть весьма значительна. Так, используя результаты [56, 40], можно говорить о следующих соотношениях: