Применение нелинейной радиолокации для обнаружения неизлучающих устройств промышленного шпионажа и металлических предметов

Тематика разрабoтoк на рынке прoмышленнoгo шпиoнажа oхватывают практичеcки вcе cтoрoны жизни oбщеcтва, безуcлoвнo oриентируяcь на наибoлее финанcoвo-выгoдные.

В Рoccии пocле 1917 гoда ведение коммерчеcкой разведки находилоcь под cтрогим контролем гоcударcтва. В Советcком Союзе в этой облаcти были cоcредоточены великолепные, еcли не сказать лучшие, специалисты. Выдающимся достижением было и останется на многие годы чудо технической разведки — здание посольства США в Москве, превращенное в огромное «ухо», в котором каждый вздох, каждый шорох был доступен для записи и анализа. Датчики находили даже в сварных стальных конструкциях здания, причем по плотности материала они соответствовали окружающему металлу и были недоступны для рентгеновского анализа. Эти системы были способны функционировать автономно десятки лет. Американцы вынуждены были отказаться от использования этого здания.

Естественно, аппаратура, используемая спецслужбами (ее лучшие образцы) намного превосходит по своим возможностям технику, используемую коммерческими организациями. В качестве примера можно привести самый маленький и самый дорогой в мире радиомикрофон, габариты которого не превышают четверти карандашной стирательной резинки. Этот миниатюрный передатчик питается от изотопного элемента и способен в течение года воспринимать и передавать на приемное устройство, расположенное в полутора километрах, разговор, который ведется в помещении шепотом. Кроме того, уже сейчас производятся «клопы», которые могут записывать перехваченную информацию, хранить ее в течение суток или недели, передать в режиме быстродействия за миллисекунду, стереть запись и начать процесс снова.

В уже упоминавшемся здании американского посольства элементы радиозакладок были рассредоточены по бетонным блокам, представляя собой кремниевые вкрапления. Арматура использовалась в качестве проводников, а пустоты — в качестве резонаторов и антенн. Анализируя опыт развития подобной техники, можно сделать вывод, что возможность ее использования коммерческими организациями является только делом времени.

Обнаружение и определение местоположения скрытых электронных средств промышленного шпионажа, как излучающих, так и неизлучающих возможно с применением нелинейной радиолокации.

Отечественная аппаратура представлена на российском рынке примерно десятью приборами (см. таблицу П.6.1). Цены на эти устройства составляют порядка $ 2—10 тыс.

Цены определяются прежде всего наличием возможностей, обеспечиваемых аппаратурой (идентификация электронных и контактных помеховых объектов, контроль процессов в электронных объектах, тип и т.п.), а также торговыми наценками посреднических фирм.

Локаторы «ОБЬ», «ПЕРЕХОД» с разной степенью приближения аналогичны аппаратуре «BROOM». «ЭНВИС» является аналогом «SUPER-SCOUT». Цены западных приборов на российском рынке резко не соответствуют степени их превосходства (главным образом в дизайне) над отечественными (см. табл. П.6.1). Зарубежные локаторы излучают непрерывный зондирующий сигнал малой мощности (16—300 мВт), те же характеристики сигнала и у российских «ОБЬ», «ПЕРЕХОД», «РОДНИК-ПМ», «ЭНВИС». Чувствительность приемника у этих приборов (зарубежных и отечественных) составляет примерно 10^-10—10^-15 Вт.

Другие отечественные локаторы из числа перечисленных работают в импульсном режиме излучения с пиковой мощностью от 5 до 400 Вт. Чувствительность приемника у них составляет примерно 10^-11 Вт.

Пиковая мощность примерно на 30 дБ превышает мощность непрерывных (средняя мощность у тех и других одного порядка), чувствительность импульсных меньше.

При работе на открытых площадях или в больших необорудованных помещениях (при завершении строительства) импульсные локаторы могут обеспечить в несколько раз большую дальность обнаружения, чем непрерывные, что позволяет сократить время обследования. При работе в офисах максимальная дальность локаторов обоих типов практически никогда не реализуется из-за насыщенности обследуемых и соседних помещений электронной техникой и контактными помеховыми объектами. Реальная дальность в этих случаях составляет примерно 0,5 м для локаторов любого типа и целенаправленно устанавливается оператором с учетом помеховой обстановки путем снижения излучаемой мощности или загрубления чувствительности приемника до предела, позволяющего различать, от какого объекта пришел отклик. В офисных помещениях возможности определения местоположения объекта у всех зарубежных и отечественных приборов примерно одинаковы. Дальность зависит от типа обнаруживаемого устройства (например, закладка с большей по длине антенной, как правило, обнаруживается на более значительном расстоянии) и условий его размещения (в мебели, за преградами из дерева, кирпича, бетона и т.п.).

Следует отметить, что высокая мощность и импульсный характер излучения импульсных локаторов могут создать определенные проблемы в плане электромагнитной совместимости со средствами радиосвязи, навигации, радио- и телевещания, особенно в городских условиях. Кроме того, необходимо учитывать максимально допустимые нормы облучения для оператора, эксплуатирующего такую аппаратуру.

Таблица П.6.1. Основные характеристики нелинейных радиолакаторов

Наименование (страна)	Частота излучаемого сигнала	Мощность излучаемого сигнала	Вид излучения
SUPERSCOUT-C1 (США)	915 МГц	300 мВт, 2 Вт	непрерывный
SUPERSCOUT (США)	915 МГц	16 мВт, 65 мВт	непрерывный
SUPERSCOUT (1995 г.) (США)	915 МГц	3 Вт	непрерывный
BROOM (Великобритания)	888,5 Мвдпя США -915 МГц	20-300 мВт, 60-900 мВт регулируемая	непрерывный
SUPERBROOM (Великобритания)	888,5 МГц	0,03-3 Вт регулируемая	непрерывный
РК 885-S (Германия)	-	-	-
С OF430 (Франция)	-	-	-
ПЕРЕХОД (Россия)	910 МГц	400мВт800мВт	непрерывный
РОДНИК-ЛМ (Россия)	910 МГц	400 мВт800 мВт	непрерывный
ЭНВИС (Россия)	910МГц	40-400 мВт, 80-800 мВт регулируемая	непрерывный
ОБЬ (Россия)	1000 МГц	250 мВт	непрерывный
ЛОТОС (Россия)	895 МГц	30-250 Вт, 150-1250Вт регулируемая	ислульсный
ЦИКЛОН-М (Россия)	680 МГц	50-ЗООВт регулируемая	импульсный
ОКТАВА (Россия)	890 МГц	30-300 Вт, 90-900 Вт регулируемая	импульсный
ОКТАВА-М (Россия)	890 МГц	25-400 Вт	импульсный
ЛЮКС (Россия)	435 МГц	0,14-14 Вт	импульсный
ОНЕГА (Россия)	900 МГц	5 Вт	импульсный
HP 900 (Россия)	900 МГц	75-150 Вт	импульсный

Масса: 3,5—17,7 кг;
Питание: сеть ~220 В, аккумулятор.

Приборы «SUPERBROOM», «SUPERSCOUT» и «ЭНВИС» принимают отклик от объекта одновременно на второй и третьей гармониках излучаемого сигнала. Идентификация объекта производится при сравнении уровней сигналов на выходах обоих трактов приема по свечению линейных индикаторов. Электронные объекты переизлучают сигнал на второй гармонике с уровнем, на 20—40 дБ большим, чем на третьей. Контактные помеховые объекты переизлучают сигнал на третьей гармонике с уровнем, на 20—40 дБ большим, чем на второй.

При работе с остальными приведенными в таблице локаторами идентификация требует дополнительных действий оператора — простукивания преград и анализа звука в головных телефонах (контактные помеховые объекты при этом дают характерный треск в наушниках на фоне тонального сигнала, электронные объекты треска не дают, тон остается чистым), демонтажа и визуального осмотра строительных конструкций и т.п. Анализ объекта с простукиванием преград иногда полезен и при использовании локаторов, работающих на второй и третьей гармониках, при этом треск в телефонах сопровождается хаотичным изменением уровня на световом индикаторе.

Рабочие частоты передатчиков всех перечисленных приборов находятся в пределах 400—1000 МГц. Рабочие частоты приемников составляют удвоенную и утроенную частоту передатчиков.

Локаторы «SUPERBROOM», «SUPERSCOUT» и «ЭНВИС» имеют по два независимых приемника. Один из которых работает на удвоенной частоте передатчика, а второй — на утроенной. Другие перечисленные приборы имеют один приемник, работающий на удвоенной частоте передатчика.

Конструктивное исполнение изделий «ПЕРЕХОД», РОДНИК-ПМ» и «ЭНВИС» дает оператору возможность работать без постоянного перемещения приемо-передающего блока аппаратуры, который размещен в чемодане типа «атташе-кейс», так как блок соединен с антенным датчиком кабелем длиной 5—7 м. Узел управления и индикации аппаратуры (регулировка мощности и чувствительности, световые индикаторы, гнездо головных телефонов) размещен на антенном датчике. Возможна поставка аппаратуры в ранцевом варианте исполнения.

В отличие от перечисленных в таблице зарубежных и отечественных локаторов приборы «ПЕРЕХОД», «РОДНИК-ПМ» и «ЭНВИС» обеспечивают дополнительный режим анализа принятого от объекта сигнала отклика, а именно режим прослушивания процессов, происходящих во включенном объекте. Так могут быть прослушаны речь, передаваемая подслушивающим устройством, тон таймера электронного взрывателя и т.п. Данный режим обеспечивает практически стопроцентную идентификацию объекта.

Следует отметить, что нелинейные локаторы полностью не решают задачу выявления закладок в помещении. Например, если закладка с дистанционным управлением установлена в какой-либо электронной аппаратуре (телевизоре, телефонном аппарате и т.п.) и включается только во время проведения совещания, то она не может быть обнаружена нелинейным локатором при обследовании помещения перед переговорами, так как сигнал отклика от нее будет замаскирован откликом от аппаратуры, в которой она вмонтирована. Поэтому в комплекте с локатором всегда должен использоваться панорамный приемник того или иного типа. При этом весьма желательно, чтобы контроль несанкционированных излучений в помещении осуществлялся и во время совещаний.

При выборе нелинейного радиолокатора следует исходить из задач, поставленных перед группой контроля. При необходимости работы на открытых пространствах целесообразно использовать импульсные локаторы большой мощности и наилучшей чувствительности. Это же относится и к обследованиям в необорудованных помещениях, имеющих толстые стены.

При работе в офисах предпочтительно применять локаторы непрерывного излучения, в особенности те, которые позволяют контролировать процессы, происходящие в обнаруживаемых устройствах. Они не создают проблем по части электромагнитной совместимости и экологически безвредны. Среди непрерывных локаторов целесообразно использовать те, которые осуществляют прием сигнала одновременно на второй и третьей гармониках, так как они значительно снижают нагрузку на оператора, сокращают время, требуемое на обследования, и позволяют избежать демонтажа строительных конструкций (что иногда необходимо при использовании локаторов, работающих на второй гармонике). Однако их цена почти вдвое выше, чем у локаторов, принимающих только на вторую гармонику.



Рис. П6.2. Работа с нелинейным радиолокатором при выявлении электронных «жучков» в офисе




Рис. П6.3. Некоторые радиоэлектронные «жучки», найденные с помощью нелинейных радиолокаторов




Как уже отмечалось ранее, основным фактором, препятствующим использованию радиолокационного метода для создания средств поиска неподвижных малоразмерных объектов, является значительный уровень помех от окружающего фона. Практическое отсутствие нелинейных электромагнитных свойств у естественного фона (грунта, воды, растительности) позволяет регистрировать гармоники облучающего поля, возникающие за счет наличия объектов искусственного происхождения, находящихся в зоне поиска на поверхности грунта или в его толще. Нелинейными свойствами могут обладать некоторые горные породы с высокой концентрацией ферромагнитных включений, а также отдельные залежи сульфидных руд. Исследованиями установлено, что у реальных объектов наибольшими нелинейными свойствами обладают высокочастотные полупроводниковые радиодетали (транзисторы, диоды), а также точечные прижимные стальные контакты. Такими объектами являются (таблица 3.1): радиоуправляемые взрывные устройства и устройства промышленного шпионажа, стрелковое оружие, обломки самолетов и вертолетов, переносные радиостанции (в том числе и выключенные) и т.д. Объектами поиска могут быть также специальные нелинейные метки, используемые для скрытого обозначения различных объектов и участков местности, а также людей (например, спасателей в труднодоступных местах).

Как и в обычной (т.е. линейной) радиолокации, длина волны первичного (облучающего) электромагнитного поля должна быть соизмерима по величине с размерами объектов поиска. На более длинных волнах (в релеевской области) интенсивность отраженного поля будет мизерна из-за явления дифракции (т.е. «огибания» поля вокруг объекта). На более коротких волнах — нелинейные свойства объектов поиска резко падают (особенно при l¹ < 0,3 м). При этом увеличиваются потери сигнала в маскирующем слое грунта, растительности или снеге.


Таблица 3.1. Объекты поиска в нелинейной радиолокации

Объекты поиска	Нелинейные элементы объектов поиска		Области применения нелинейной радиолокации (варианты)
Устройства промышленного шпионажа	аудио	П/п радиодетали модулятора и УВ микропередатчика	«Чистка» помещений от устройств коммерческой разведки конкурентов
	видео	Фотоприемники, п/п радиодетали УВЧ (СВЧ) микропередатчика
Радиоуправляемые взрывные устройства (см. рис. 3.1)	П/п радиодетали схемы радиоприемника и блока управления состоянием РВУ		Предотвращение подрыва объектов террористами (офисов, автомобилей и др.)
Обломки самолетов и вертолетов	Точечные контакты отдельных металлических элементов и обломков между собой. Обломки радиоэлектронной аппаратуры		Дистанционное обнаружение обломков в труднодоступных местах (тайга, горы и т.д.)
Стрелковое оружие Мины	Точечные и плоскостные металлические контакты деталей и патронов		Борьба с терроризмом Разминирование
Переносные радиостанции и ЗР	П/п радиодетали передатчика, приемника и системы наведения ЗР		Дистанционное обнаружение террористических групп с воздушных носителей
Нелинейные маркеры	Полупроводниковые диоды, нагруженные на антенны-отражатели		Дистанционное маркирование подземных объектов, черных ящиков самолетов, участков местности и спасателей с земли и воздуха

Величины амплитуд гармоник отраженного электромагнитного поля зависят от многих факторов: вида вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик нелинейных элементов и их частотных свойств, взаимного расположения нелинейных элементов в пространстве, наличия реактивных нагрузок, соотношения между размерами объекта поиска и длины волны первичного поля, наличия маскирующего слоя грунта и его электрических параметров и др. Основная доля энергии, отраженной от объекта с нелинейными свойствами, сосредоточена на частоте падающего поля и только небольшая ее часть — на частотах гармоник. Отражательные характеристики объекта поиска в СВЧ диапазоне волн можно характеризовать переизлученной (нелинейной) мощностью Р^н и эффективной площадью рассеяния на гармонике σ^н, которую принято называть нелинейной эффективной поверхностью рассеяния (НЭПР).



1 — приемная электрическая антенна;
2 — металлический корпус;
3 — винт крепления магнита;
4 — радиосхема (приемник прямого усиления с реле времени);
5 — тумблер включения.

Рис. 3.1. Типичный образец радиоуправляемого взрывного устройства непромышленного изготовления. Устанавливается террористами под днище уничтожаемого автомобиля на магните

При этом, по аналогии с ЭПР, можно определить, что НЭПР есть отношение мощности излучения изотропного излучателя на частоте гармоники первичного поля, создающего в месте расположения приемного устройства такую же плотность потока мощности, как и реальный объект поиска, к плотности потока мощности первичного поля, падающего на объект поиска.

Теоретическое определение НЭПР реальных объектов поиска затруднительно. Поэтому на практике отражательные свойства объектов определяют экспериментально.

Многочисленные эксперименты, проведенные в 70-х годах XX в. как автором данной книги, так и многими другими исследователями, с использованием малоразмерных объектов показали, что между падающим и отраженными полями дециметрового диапазона в свободном пространстве имеют место зависимости:

где Р_н — переизлученная мощность на частоте гармоники;

σ— нелинейная ЭПР (НЭПР); σ_н(1) — нормированная НЭПР, численно равная σ_н при П_пад = 1 Вт/м², имеет размерность м^2т Вт^1-m; т— безразмерный показатель, определяемый номером гармоники и характером объекта поиска. Величина НЭПР зависит от направления в пространстве. Поэтому в дальнейшем, если специально это не оговорено, будем использовать их максимальные значения. Основные эксперименты данного цикла исследований проводились при П_пад = 0,03—3 Вт/м² в диапазоне частот 0,5—1 ГГц. Для большинства реальных малоразмерных объектов эффекта «насыщения» НЭПР не наблюдалось, при этом т≈ п, где п — номер гармоники. В то же время этот эффект имел место для резонансных объектов (полуволновых вибраторов с включенными в их центр нелинейными элементами) при П_пад > 0,5—1 Вт/м². Эти экспериментальные зависимости достаточно удовлетворительно согласуются с результатами других работ в области нелинейной радиолокации, посвященных обнаружению металлических объектов.

НЭПР нелинейных резонансных СВЧ маркеров составляет 10^-4—10^-6 м2 на второй гармонике. Причем в качестве линейной части маркера целесообразно использовать антенны магнитного типа (шлейф-вибраторы, рамки и др.). Это особенно важно при установке маркера в толщу полупроводящей среды (растительности, снега, грунта).

Экспериментально установлено, что НЭПР большинства малоразмерных объектов, содержащих не полностью экранированные электронные устройства в своей конструкции (неконтактные и электронно-контактные датчики, ИП РЛУ взрывом и др.) составляют 10^-7—10^-11 м2 на второй гармонике и 10^-10—10^-12 м2 на третьей гармонике — при П^пад = 1 Вт/м2. Например, НЭПР радиоуправляемого взрывного устройства (рис.3.1) составляет 10^-8м2 на второй гармонике и 10^-10 м2 на третьей. Частота облучающего СВЧ поля была 840 МГц. Отражательная способность на гармониках объектов с нелинейными свойствами увеличивается с ростом плотности потока мощности падающей на них волны. Поэтому для увеличения дальности действия НРЛС целесообразно увеличивать пиковую мощность зондирующего СВЧ импульса, то есть использовать мощные радиоимпульсы с большой скважностью — 10³—10⁴.

Интересно отметить, что величины ЭПР этих же нелинейных малоразмерных объектов составляли 10^-3—10^-3 м2. То есть намного больше, чем их НЭПР на гармониках.

Для обнаружения нелинейных объектов могут быть использованы различные эффекты, аналогичные известным из теории нелинейных электрических цепей: возбуждение гармоник и комбинационных частот, модуляция и демодуляция, кросс-модуляция и др. Выбор того или иного нелинейного эффекта для использования в поисковой системе определяется типом обнаруживаемых объектов, ожидаемыми условиями их установки, необходимыми дальностью и скоростью поиска и др.

Необходимо отметить, что нелинейная радиолокация, в отличие от обычной, то есть линейной, представляет больше возможностей для распознавания объектов поиска. Это объясняется тем, что на основе анализа спектра отраженного сигнала, значительно отличающегося от спектра первичного сигнала, можно судить о характере обнаруженного объекта. При этом возможно дополнительное использование обычных методов радиолокационного распознавания: поляризационного и фазового и др.



В нелинейной радиолокации, как и в обычной, то есть линейной, могут быть использованы многочастотные зондирующие сигналы. Их формирование может осуществляться различными способами. Основные из них следующие:
• одновременное излучение зондирующих сигналов на нескольких (минимум двух) фиксированных несущих частотах;
• перестройка несущей частоты во время облучения объекта поиска;
• излучение широкополосного зондирующего сигнала, имеющего практически сплошной спектр в выбранной полосе частот (может формироваться наносекундными видео- или радиоимпульсами).

Трудности практической реализации многочастотного режима обусловлены, прежде всего, необходимостью создания широкополосных СВЧ устройств): мощных импульсных генераторов, высоконаправленных антенн и чувствительных приемников. Наиболее прост в реализации первый способ. Прием отраженного сигнала ведется при этом на фиксированных комбинационных частотах второго и третьего порядков.

Использование многочастотного режима в нелинейной радиолокации вместо одночастотного обусловливает ряд положительных эффектов. Основные из них приведены в таблице 3.2.

Важную роль в многочастотной радиолокации играют резонансные явления при формировании вторичного сигнала от нелинейного объекта поиска. Тонкий вибратор (диполь), нагруженный на полупроводниковый прибор, представляет собой простейшую модель для исследования резонансных явлений.

При двухчастотном облучении нелинейные объекты можно обнаружить путем регистрации комбинационных частот в спектре отраженного сигнала. При этом сигналы от электронных устройств, как правило, имеют наибольшую величину на частотах f₁ ± f₂. Эти сигналы обусловлены, в основном, квадратичным членом вольт-амперной характеристики полупроводникового перехода. Сигналы же, обусловленные наличием металлических контактов, максимальны на частотах 2f₁ — f₂ и 2f₂— f_1.

Таблица 3.2. Применение многочастотного режима работы в нелинейной радиолокации

Положительный эффект (по сравнению с одночастотным режимом)	Физический процесс, обусловленный многочастотным режимом работы
Увеличение дальности обнаружения нелинейных объектов: в 2-2,5 раза в свободном пространстве; в 1,6-1,8 раза вблизи поверхности грунта	Возрастание НЭПР на 15-25 дБ, при перестройке частоты ± 15-20 % за счет резонансных явлений при переизлучении СВЧ сигнала
Увеличение вероятности обнаружения неподвижных объектов с изрезанной диаграммой обратного рассеяния (ДОР)	Изменение ДОР нелинейного объекта
Увеличение дальности обнаружения объектов с электронными устройствами, имеющих экранирующие металлические корпуса	Резонансные явления в отверстиях и щелях металлического корпуса
Распознавание обнаруженного нелинейного объекта	Совокупность устойчивых резонансных эффектов в линейных и нелинейных элементах объекта поиска при переизлучении СВЧ сигнала
Увеличение дальности обнаружения объектов, расположенных за экранирующими препятствиями (ж/б сооружениями, неровностями грунта и др)	Интерференционные и дифракционные явления на верхнем крае препятствия (эффект «усиления» поля препятствием)
Уменьшение требований к уровню собственных гармоник СВЧ передатчика НРЛС при двухчастотном режиме работы	Использование при приеме фиксированных комбинационных частот в спектре отраженного сигнала (вместо гармоник)
Уменьшение помехового воздействия корпуса носителя (на 30-60 дБ) при двухчастотном режиме работы НРЛС	Несовпадение боковых и задних лепестков диаграмм направленности передающих антенн НРЛС. Разнос между антеннами не менее (2-З)λ1

Это объясняется «кубической» нелинейностью вольт-амперной характеристики окисленного металлического контакта. Дальность действия двухчастотной нелинейной РЛС в свободном пространстве может быть оценена по формуле:

где Р_и1 > P_и1 - мощности передатчиков (в импульсе) на частотах f₁ и f₂;

G_u1, G_u2 — усиление передающих антенн;

σ_1нк(1) — нормированная нелинейная ЭПР объекта поиска на комбинационной частоте (при плотностях потоков мощности зондирующих сигналов П₁ = П₂ = 1 Вт • м^-2);

А_n— эффективная площадь приемной антенны на гармонике;

q₁ и q₂ - безразмерные показатели нелинейности объекта поиска;

Р_пртin— чувствительность СВЧ приемника.

Эксперименты показали, что при плот