CC BY
53
УДК 621.3.091.1 А.В. Убайчин
Оценка возможности определения тепловых аномалий по собственному электромагнитному излучению в непроводящих средах
Рассматривается методика оценки возможности определения собственного электромагнитного излучения тепловых аномалий в диэлектрических средах при помощи радиометра на примере поиска скрытого радиозакладного устройства.
Ключевые слова: пассивная радиолокация, радиометр, радиотепловой контраст, радиозакладки, модель радиозакладного устройства, распространение волн в диэлектриках, тепломассообмен.
Анализ современного состояния вопросов противодействия промышленному шпионажу и иностранным техническим разведкам [1] диктует необходимость создания новых, более совершенных приборов для обнаружения радиозакладных устройств (РЗУ).
Наиболее распространенным прибором для обнаружения РЗУ является нелинейный локатор. (НРЛ) [1]. При поиске РЗУ нелинейными радиолокаторами, осуществляемом по наличию в их составе нелинейных элементов - полупроводников, возникает проблема селекции искусственных полупроводников - радиоэлектронных элементов, и естественных - структур типа «металл-окисел-металл» (МОМ), образующихся при контакте двух металлических тел через пленку окисла. В литературе хорошо описаны свойства МОМ-структур, а также способы их селекции. Несмотря на распространенность метода нелинейной локации и широкую номенклатуру НРЛ, в большинстве случаев достоверность способов селекции полупроводников не превышает 30% [1]. Существенным недостатком НРЛ является побочное электромагнитное излучение, возникающее при его работе и оказывающее неблагоприятное воздействие на оператора.
Методы пассивной радиолокации - определение свойств объекта по его собственному электромагнитному излучению, находят широкое применение для задач неразрушающего контроля внутренней температуры тел и поиска тепловых неоднородностей в непроводящих и полупроводящих средах [2]. Измеряя радиотепловой контраст - изменение радиояркостной температуры объекта и окружающей среды, определяются области с физической температурой, отличной от фоновой (70). Область, в которой расположено РЗУ, вследствие потребления электрической мощности, будет обладать теплоконтрастом (ДТ + 70).
Целью статьи является попытка описания методики обнаружения РЗУ по их собственному электромагнитному излучению, а не по наличию полупроводников в его составе.
Модель радиозакладного устройства. Простейшие РЗУ состоят из микрофона, устройства обработки и передатчика, непрерывно излучающего в радиоэфир. Наличие РЗУ такого типа в помещении легко определяется при помощи классических средств обнаружения: НРЛ, сканеры радиоэфира, детекторы высокочастотного поля и т. д.
Наиболее типичными местами установки РЗУ для несанкционированного снятия акустической информации являются помещения [3]. Имитируя наиболее вероятный случай размещения РЗУ с минимизацией визуального демаскирующего признака, местом установки является однородная диэлектрическая среда (случай, приближенный к размещению РЗУ в конструкциях, выполненных из строительных материалов типа: кирпич, бетон, штукатурка и т. д.).
Как показано в [3], наиболее часто применяются РЗУ, работающие в пассивном режиме записи акустического сигнала. Такие устройства находятся в экранирующем корпусе, что в значительной степени препятствует их обнаружению при помощи НРЛ (воздействие зондирующего излучения имеет недостаточный уровень для возникновения нелинейного отклика от искусственных полупроводниковых элементов РЗУ) и детекторов СВЧ-поля. Они передают накопленную информацию в сжатом виде по радиоканалу, что делает невозможным их обнаружение при помощи сканеров радиоэфира. В состав РЗУ, работающих в пассивном режиме записи, входят: микрофон (М), согла-
сующее усилительное устройство (СУУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), память (П), микроконтроллер (МК), передатчик (ПК) (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема радиозакладного устройства
Акустический сигнал поступает на микрофон и преобразуется в электрический, СУУ служит для обработки сигнала - усиление, фильтрация, нормирование. АЦП преобразует принятый электрический сигнал в цифровой код, микроконтроллер управляет АЦП, памятью и передатчиком для передачи накопленной информации.
Расчет тепловых цепей. Микросхема памяти - наиболее энергоемкая часть РЗУ. Выберем для дальнейшего моделирования РЗУ интегральную микросхему Аа8Ь-памяти K9W8G08U1 (Баш8ип§) [4].
Потребление тока микросхемой K9W8G08U1 при напряжении питания 5 В составляет 2 мА, потребляемая мощность - 10 мВт, что соответствует энергопотреблению микросхемы в режиме энергосберегающей записи [4].
Основываясь на методике, изложенной в [5], рассмотрим теплотехнические процессы интегральных микросхем. Тепловая мощность Р, связывается с разностью температур АТ, возникающей при прохождении теплового потока через участок тела с тепловым сопротивлением Ят :
Р = АТ/Я,, (1)
где Ят = ё/(^-£) - тепловое сопротивление (К-Вт -1); ё - толщина материала (м); X - коэффициент теплопроводности (Вт-К-1-м-1); £ - площадь поперечного сечения материала (м2).
Проведем расчет теплового режима полупроводникового прибора микросборки памяти на одном кристалле с использованием (1). Микросхемы памяти проектируются по функционально -узловому методу и при расчете теплотехнических процессов все функциональные части считают прямоугольными областями с равномерным тепловым сопротивлением во всем объеме.
Данные для расчета температуры кристалла в первом приближении:
• поперечная длина кристалла I = 0,1-10-3 м;
• площадь основы £ = 1-10- м ;
• коэффициент теплопроводности (кремний) X = 23 Вт/м-К;
• коэффициент теплопроводности (клей) X = 10 Вт/м-К;
• толщина пленки клея £ = 1'10-6 м;
• потребляемая мощность Р = 10 мВт;
• температура окружающей среды Токр = 290 К (17 °С).
Температура кристалла рассчитана по формуле:
Ткрист = Р ■ ЯТ + Токр , (2)
где Р - потребляемая мощность; Я( - температурное сопротивление кристалла.
Тепловая схема соответствует шести параллельно соединенным цепям, состоящим из последовательно соединенных тепловых сопротивлений кристалла и компаунда (Я^.) Тепловой поток, генерируемый кристаллом микросхемы, распространяется до внешней среды с температурой Т), на последовательно соединенных тепловых сопротивлениях возникает разность температур АТ . Разность АТ является искомым приращением температуры поверхности кристалла.
На рис. 2 изображены цепи распространения теплового потока. Общая точка тепловой схемы объединена для всех цепей, входящих в ее состав, так как тепловой поток распространяется к внешней среде с равной температурой по всем направлениям граней микросхемы. На рассматриваемом временном промежутке работы микросхемы тепловой процесс не вызывает разогрева окружающего пространства.
Выражая из (1) приращение температуры АТ и учитывая эквивалентное сопротивление тепловой схемы, получим:
АТ=Лэкв • Р=10 -10-3 • 263,598 = 2,6 К.
Следовательно, физическая температура поверхности микросхемы равна
ТМ =АТ+Т0 =2,6 + 290 = 292,6 К .
Рис. 2. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений
Расчет интенсивности излучения. Основываясь на законе Релея-Джинса - приближении закона излучения Планка для радиодиапазона [6], проведем расчет интенсивности В электромагнитного излучения для объекта с температурой ТМ = 292,6 К в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц:
В = 2 • к •Т • (с / / )-2, (3)
где к = 1,38-10-23 (Дж-К-1) - постоянная Больцмана; Т- температура (К); f - частота излучения (Гц); с = 3-108(м/с) - скорость света в вакууме.
Использование диапазона СВЧ связано с несколькими причинами. Применение тепловизоров инфракрасного диапазона (ИК) длин волн для поиска РЗУ, несмотря на пространственную разрешающую способность (~ 1 мм) и высокую чувствительность (~ 0,05 К) неэффективно из-за недостаточной проникающей способности ИК-излучения. При этом измеряется поверхностная, а не глубинная температура исследуемой среды [8]. В отличие от ИК, диапазон СВЧ-длин волн обладает более высокой проникающей способностью в диэлектрические среды, что позволяет измерять глубинную температуру исследуемой среды, повышая тем самым достоверность обнаружения.
Затухание сигнала рассчитано по методике, изложенной в [9]. В расчетах диэлектрическая проницаемость е = 6... 10. Учтена неидеальность диэлектрической среды в виде тангенса угла диэлектрических потерь 5 = 0,05 (рис. 3). Расчетные параметры диэлектрической среды схожи с электрическими параметрами бетона. Диапазон расчетных значений обуславливается изменением диэлектрических параметров среды в зависимости от влажности, температуры, давления, содержания различных примесей и концентрации компонентов.
На рис. 3 представлены результаты расчетов - зависимости затухания для различных частот и параметров среды.
Рис. 3. Затухание сигнала в бетоне ^ 5 = 0,05)
(І, м
График зависимости интенсивно- д ю-и вг м*-етеррад сти излучения РЗУ, учитывая вносимое ослабление среды, представлен на рис. 4.
Рис. 4. Интенсивность излучения РЗУ, находящегося в бетоне
Для соотношения интенсивности излучения, вносимого ослабления и технических параметров радиометров рассчитан скин-слой - величина, характеризующая глубину проникновения электромагнитных волн в среду, на которой амплитуда поля затухает в е раз. Для известных параметров среды определен скин-слой как функция частоты (рис. 5)
Рис. 5. Зависимость скин-слоя от частоты
Минимальные размеры РЗУ зависят от конструкторско-технологических параметров и геометрических размеров элементов, входящих в ее состав. Исходя из [4], продольный размер РЗУ составляет не менее 2 см. Рассчитаем соответствующую максимальную длину волны, на которой разрешающая способность не более минимального поперечного размера РЗУ. Длина волны в среде может быть вычислена по выражению из [7]:
X с = 2-Г = Х оЛ/8С, (4)
где Хс - длина волны в диэлектрике (м), Хо - длина волны в вакууме (м).
Учитывая (4), длина волны в вакууме при ес = 6 (случай минимального укорочения длины волны) составит:
X о=2-Г-^80 = Хс -^80 = 4•'\[6 = 4 -2,45 «10 см.
Соответствующая этой длине волны ее частота равна /0 = 3 ГГц. Искомая частота находится в
^-диапазоне. Существующая элементная база, необходимая для создания радиометра для 5-диапазона, имеет широкую номенклатуру и доступна на коммерческом рынке [10].
Максимальная глубина /макс, на которой возможно определение температурной аномалии АТ, учитывая скин-слой и флуктуационную чувствительность радиометра, определяется из [8]:
I = 1скин • 1п(АТ
макс 2 ^8Т,
где /скин - величина скин-слоя (м), 5Т - флуктуационная чувствительность радиометра (К). Результаты расчетов представлены на рис. 6.
(5)
I ,М
тах
Флуктуационная чувствительность радиометра (~ 0,01 К), описанного в [11], сопоставлена с кривыми, отображающими различную глубину скин-слоя, зависящего от частоты и параметров поглощения среды.
При скин-слое, равном 10 см, и флуктуационной чувствительности
0,01 К, возможно определение температурной аномалии АТ = 2,6 К на глуби -не не более 26 см. Такая величина глубины обнаружительной способности является сопоставимой с другими средствами обнаружения РЗУ.
Рис. 6. Оценка физической реализуемости прибора
В результате методика оценки возможности определения собственного электромагнитного излучения, вызванного работой скрытого радиозакладного устройства, в однородных диэлектрических средах при помощи радиометра выполняется следующим образом:
• Проводится оценка структурной схемы РЗУ и элементов, входящих в её состав, для анализа работы и наличия возможных демаскирующих признаков.
• Учитывая структурную схему РЗУ, оценивается потребляемая электрическая мощность элементов, входящих в состав РЗУ.
• Проводится оценка теплового сопротивления элементов РЗУ с построением тепловой схемы работы устройства.
• На основании расчетов тепловой схемы устройства определяется изменение температуры РЗУ в процессе его работы.
• Определяются электрические параметры среды, в которой расположено РЗУ
• На основании электрических параметров оцениваются интенсивность излучения, затухание сигнала и скин-слой.
• Основываясь на параметрах структурной схемы РЗУ, определяются минимальные геометрические размеры устройства, с последующим расчетом максимальной длины волны исследуемого
излучения, сопоставленной с пространственной разрешающей способностью в среде.
• Исходя из параметров длины волны излучения, скин-слоя и температурной аномалии, проводится расчет требуемой флуктуационной чувствительности радиометра, сопоставленной с требуемой глубиной максимального обнаружения и физической реализуемостью.
Заключение. Проведенные исследования позволяют судить о применимости методики обнаружения РЗУ различного типа и требуемых технических характеристик радиометра для обнаружения тепловой аномалии ДТ, вызванной работой РЗУ. Моделирование показывает, что изменение температуры РЗУ вследствие потребления электрической мощности элементной базой, входящей в ее состав, является демаскирующим признаком. Анализ распространения собственного электромагнитного излучения в средах с поглощением, сопоставленный с основными техническими характеристиками микроволновых радиометров, показал возможность определения температурных аномалий АТ = 2,6 К, вызванных работой РЗУ на глубинах не более 26 см при величине скин-слоя поглощающей среды 0,1 м.
Литература
1. Хорев А.А. Способы и средства защиты информации: учеб. пособие / А.А. Хорев. - М.: МО РФ, 1998. - 316 с.
2. Филатов А.В. Радиометрические системы нулевого метода измерений / А.В. Филатов. -Томск: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2007. - 276 с.
3. Вернигоров Н.С. Принцип обнаружения объектов нелинейным радиолокатором // Конфидент. - 1998. - № 5. - С. 45-57.
4. Samsung K9W8G08U1M Flash Memory. May 31. 2004. - 102 с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/85482/SAMSUNG/K9W8G08U1M.html, свободный (дата обращения: 07.07.11).
5. Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем: учеб. пособие / Э.А. Матсон. - Мн.: Выш. шк., 1985. - 207 с.
6. Краус Д.Д. Радиоастрономия / Д.Д. Краус. - М.: Сов. радио, 1973. - 456 с.
7. Боков Л.А. Электромагнитные поля и волны: учеб. пособие / Л.А. Боков. - Томск: Том. гос.
ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2003. - 214 с.
8. Поляков В.М. СВЧ-термография и перспективы ее развития. Применение в медицине и народном хозяйстве // Обзоры по электронной технике. - 1991. - Вып. 8 (1640). - 58 с.
9. Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами // Успехи физических наук. - 1984. -Т. 142, вып. 1. - С. 131-145.
10. Метод авторегулирования нулевого баланса в радиометрических системах / А.В. Филатов, А.В. Убайчин, А.О. Чудинов, Е.И. Розина // Нелинейный мир. - 2010. - Т. 8, № 4. - С. 220-233.
11. Двухканальный микроволновый радиометр повышенной точности / А.В. Филатов, А.В. Убайчин, Н.О. Жуков // Радиотехника. - 2011. - № 1. - С. 47-55.
Убайчин Антон Викторович
Аспирант каф. телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа Тел.: +7-952-883-67-67 Эл. почта: [email protected]
Ubaychin A.V.
The capability of thermal anomaly detection by self electromagnetic radiation at non-conducting medium
The paper shows the estimation procedure of the electromagnetic reradiation determining possibility at lossy medium by radiometer. This reradiation is caused by the hidden listening device operation.
Keywords: radiothermograph, radiothermocontrast, hidden listening device, foreign technical intelligence resistence, hidden listening device model, lossy medium.
