Оптические каналы утечки информации

 

 

Структура оптического канала утечки информации имеет вид, показан­ный рис. 4.3.

Объект наблюдения в оптическом канале утечки информации является одновременно источником информации и источником сигнала, потому что световые лучи, несущие информацию о видовых признаках объекта, пред­ставляют собой отраженные объектом лучи внешнего источника или его соб­ственные излучения.

Рис. 4. 3. Структура оптического канала утечки информации

Отраженный от объекта свет содержит информацию о его внешнем виде (видовых признаках), а излучаемый объектом свет - о параметрах излуче­ний (признаках сигналов). Запись информации производится в момент отра­жения падающего света путем изменения его яркости и спектрального соста­ва. Излучаемый свет содержит информацию об уровне и спектральном соста­ве источников видимого света, а в инфракрасном диапазоне по характеристи­кам излучений можно также судить о температуре элементов излучения.

В общем случае объект наблюдения излучает и отражает свет другого ис­точника как в видимом, так и ИК-диапазонах. Однако в конкретных условиях соотношения между мощностью собственных и отраженных излучений в ви­димом и ИК-диапазонах могут существенно отличаться.

В видимом диапазоне мощность излучения определяется в подавляющем большинстве случаев мощностью отраженного света и содержащихся в объ­екте искусственных источников света. Например, габариты автомобиля в ночное время обозначаются включенными фонарями красного цвета, укреп­ленными по краям автомобиля. Объект наблюдения или его элементы излу­чают собственные электромагнитные излучения в видимом диапазоне при высокой температуре. В ближней (0.76-3 мкм) и средней (3-6 мкм) диапазо­нах ИК-излучения объектов значительно меньше мощности отраженного от объекта потока солнечной энергии. Однако с переходом в длинноволновую область ИК-излучения мощность теплового излучения объектов может пре­вышать мощность отраженной солнечной энергии.

Основным и наиболее мощным внешним источником света является Солнце. При температуре поверхности около 6000° Солнце излучает огром­ное количество энергии в достаточно широкой полосе - от ультрафиолетово­го до инфракрасного (0.17-4 мкм). Максимум солнечного излучения прихо­дится на 0.47 мкм, в ультрафиолетовой части оно резко убывает, в инфра­красной - регистрируется в виде широкой и пологой кривой.

При прохождении через атмосферу солнечные лучи взаимодействуют с содержащими в ней молекулами газов, частицами пыли, дыма, кристалликами льда, каплями воды. В результате такого взаимодействия часть солнечной энергии поглощается, другая - рассеивается [88].

Процессы рассеяния и поглощения солнечной энергии уменьшают интен­сивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют спектр сол­нечного света, освещающего наземные объекты. В кривой излучения этого света, характеризующей интенсивность излучения в зависимости от длины волны, появляются участки поглощения и пропускания. Последние называ­ются окнами прозрачности. Излучения длиной менее 0.27 полностью погло­щаются озоном. Атмосферное рассеяние света уменьшает прямую солнеч­ную радиацию и повышает рассеянное (диффузное) излучение атмосферы. Рассеяние в коротковолновой части спектра сильнее, чем в длинноволновой. Особенно заметно оно в голубой и ультрафиолетовой областях. Поэтому не­бо имеет голубой цвет. Интенсивность рассеяния солнечного света в ближ­нем инфракрасном диапазоне незначительная.

Задымленность приповерхностного слоя атмосферы мало влияет на излу­чения в ближнем ИК-диапазоне, если размеры твердых частиц дыма в атмо­сфере не превышают 1 мкм. Туман и облака очень сильно рассеивают ИК-излучение в этом интервале длин, так как водяные капли имеют размер около 4 мкм. Молекулярное и аэрозольное рассеяние солнечного света вызывает ее свечение в атмосфере, которое называют дымкой. Рассеянное излучение соз­дает освещенность теневых участков земной поверхности, увеличивая их от­носительную яркость.

Облачность существенно влияет на суммарную освещенность. Наличие облачности высоких ярусов, не закрывающих солнечный диск, повышает рассеянное излучение и при сохранении значения прямой освещенности уве­личивает ее суммарную величину на (20-30)% по сравнению с освещенно­стью при безоблачном небе. Низкая облачность так же, как и тени облаков, снижают суммарную освещенность в 2-5 раз, в зависимости от высоты Солн­ца. При снежном покрове и облачности многократное отражение ими излуче­ния повышает суммарную освещенность, особенно в теневых участках.

Освещенность в дневное время земной поверхности Солнцем составля­ет в зависимости от его высоты, облачности атмосферы 104-105 лк. С дви­жением Солнца к горизонту Земли, когда зенитное расстояние между ними достигает максимума, освещенность, создаваемая Солнцем, составляет приблизительно 10 лк. При этом изменяется и спектр солнечного света, так как при прохождении толщи атмосферы синие и фиолетовые лучи ослаб­ляются сильнее, чем оранжевые и красные, вследствие чего максимум из­лучения Солнца смещается в красную область цвета. С заходом Солнца за горизонт и наступлением сумерек освещенность убывает вплоть до наступ­ления астрономических сумерек, за которыми следует наиболее темное время суток - ночь.

Освещенность в лунную ночь при безоблачном небе, когда так называ­емую естественную ночную освещенность (ЕНО) создает отраженный от Лу­ны солнечный свет, составляет около 0.3 лк. Величина ЕНО, создаваемая светом Луны, в течение месяца меняется приблизительно в 100 раз в зависимости от взаимного положения Луны, Солнца и Земли. Лунный месяц разде­ляется по уровню освещенности на четыре части, каждая длительностью око­ло недели.

Источниками излучения в безлунную ночь при безоблачном небе, назы­ваемым звездным светом, являются солнечный свет, отраженный от планет и туманностей, свет звезд, а также свечение кислорода и азота в верхних слоях атмосферы на высоте 100-300 км. Освещенность поверхности Земли звезд­ным светом составляет в среднем 0.001 лк [9].

В инфракрасном диапазоне мощность излучения объекта зависит от тем­пературы тела или его элементов, мощности падающего на объект света и коэффициента отражения объекта в этом диапазоне. Коэффициент теплового излучения для реальных объектов не постоянен по спектру и определяется в соответствии с законом Кирхгофа отношением спектральной плотности энергетической яркости объекта к спектральной плотности энергетической яркости абсолютно черного тела, которое обладает максимумом энергии теп­лового излучения по сравнению со всеми другими источниками при той же температуре.

Средняя температура поверхности Земли близка к 17 градусов по Цель­сию. Максимум ее теплового излучения приходится на 9.7 мкм. Объекты под действием солнечной радиации в течение дня по-разному отдают накоплен­ное тепло в окружающее пространство. Различия в температуре излучения могут рассматриваться как демаскирующие признаки.

Объекты могут иметь собственные источники тепловой энергии, напри­мер, высокотемпературные элементы машин, дизель-электростанции и др., температура которых значительно выше температуры фона. Максимум теп­лового излучения таких объектов смещается в коротковолновую область, что служит демаскирующим признаком для таких объектов.

Длина (протяженность) канала утечки зависит от мощности света, от объ­екта, свойств среды распространения и чувствительности фотоприемника. Среда распространения в оптическом канале утечки информации возможна трех видов:

- безвоздушное (космическое) пространство;

- атмосфера;

- оптические световоды.

Оптический канал утечки информации, среда распространения которого содержит участки безвоздушного пространства, возникает при наблюдении за наземными объектами с космических аппаратов. Граница между космиче­ским пространством и атмосферой достаточно условна. На высотах 200-300 км существуют еще остатки газов, проявляющиеся в тормозящем дейс­твии на космические аппараты.

Сложный состав атмосферы определяет ее пропускную способность раз­личных составляющих света. В общем случае прозрачность атмосферы зави­сит от соотношения длины проходящего сквозь нее света и размеров взве­шенных в атмосфере частиц. Если размеры частиц соизмеримы с длиной волны света (больше половины длины волны), то пропускание значительно ухудшается. Уровень пропускания меняется в зависимости от длины световой волны.

В видимой области прохождению света препятствуют абсорбирующие молекулы кислорода и воды. Коэффициент пропускания в ней немногим бо­лее 60%. В ближней ИК-области пропускание несколько большее - до 70%. Адсорбентом в этой области являются пары воды. В средней ИК-области, в диапазоне 3-4 мкм, пропускание достигает почти 90%. Высокое пропускание имеет довольно обширный участок в дальней ИК-области (с 8 до 13 мкм). Абсорбентом в нем являются молекулы кислорода и воды, а также углеки­слого газа и озона в атмосфере.

Метеорологическая видимость даже в окнах прозрачности зависит от на­личия в атмосфере взвешенных частиц пыли и влаги, образующих мглу и ту­ман, капелек и кристаллов воды в виде дождя и снега, а также аэрозолей и дымов, содержащих твердые частицы. Все это вызывает замутнение атмо­сферы и ухудшает видимость. Прозрачность атмосферы как канала распро­странения света оценивается метеорологической дальностью видимости. Под последней понимается предельно большое расстояние, начиная с которого при данной прозрачности атмосферы в светлое время суток абсолютно чер­ный предмет с угловыми размерами 20'х20' сливается с фоном у горизонта и становится невидимым. В зависимости от состояния атмосферы дальность видимости, определяющая протяженность оптического канала утечки, имеет значения, приведенные в табл. 4.1 [88].

Таблица 4.1.

Метеорологическая дальность видимости. км	Оценка видимости. балл	Визуальная оценка замутненности атмосферы и видимости
Менее 0.05		Очень сильный туман
0.05 - 0.2		Сильный туман
0,2 - 0.5		Умеренный туман
0.5-1.0		Слабый туман
1.0-2.0		Очень сильная замутненность (очень плохая видимость)
2.0-4.0		Сильная замутненность (плохая видимость)
10.0		Умеренная замутненность (умеренная видимость)
20.0		Удовлетворительная видимость
50.0		Хорошая видимость
Более 50.0		Исключительно хорошая видимость
		Чистый воздух

 

Показатели метеорологической дальности атмосферы в конкретном рай­оне регулярно определяются на станциях метеорологической службы и в метрах или в баллах передаются радиостанциями пользователям этой ин­формации, в том числе для водителей автотранспорта.

Если объект наблюдения и наблюдатель находятся на земле, то протя­женность канала утечки зависит не только от состояния атмосферы, но и ог­раничивается влиянием кривизны Земли. Дальность прямой видимости Dпв в км с учетом кривизны Земли можно рассчитать по формуле [10]:

где ho - высота размещения объекта над поверхностью земли в м;

hн - высота расположения наблюдателя над поверхностью земли в м.

Например, для hо=3м и hн=5 м Dпв=14 км, что меньше метеорологической дальности при хорошей видимости. Эта формула не учитывает неровно­сти Земли и различные инженерные сооружения (башни, высотные здания и т. д.), создающие препятствия для света.

Так как параметры источников сигналов и среды распространения зави­сят от значений спектральных характеристик носителя информации, то про­тяженность оптического канала утечки ее в видимом и ИК-диапазонах могут существенно отличаться.

Однако в общем случае потенциальные оптические каналы утечки ин­формации имеют достаточно устойчивые признаки. Типовые варианты опти­ческих каналов утечки информации приведены в табл. 4.2.

До недавнего времени атмосфера и безвоздушное пространство были единственной средой распространения световых волн. С разработкой воло­конно-оптической технологии появились направляющие линии связи в опти­ческом диапазоне, которые в силу больших их преимуществ по отношению к традиционным электрическим проводникам рассматриваются как более со­вершенная физическая среда для передачи больших объемов информации. Линии связи, использующие оптическое волокно, устойчивы к внешним по­мехам, имеют малое затухание, долговечны, обеспечивают значительно бо­льшую безопасность передаваемой по волокну информации.

Таблица 4.2.

Объект наблюдения	Среда распространения	Оптический приемник
Документ, продукция в помещении	Воздух Воздух + стекло окна	Глаза человека + бинокль. фотоаппарат
Продукция во дворе, на машине, ж/платформе	Воздух Атмосфера + безвоздушное пространство	То же Фото, ИК, телевизионная аппаратура на КА
Человек в помещении. во дворе, на улице	Воздух Воздух + стекло	Глаза человека + бинокль, фото, кино, телевизионная аппаратура

 

Волокно представляет собой нить диаметром около 100 мкм, изготовлен­ную из кварца на основе двуокиси кремния [11]. Волокно состоит из сердце­вины (световодной жилы) и оболочки с разными показателями преломления.

Волокно с постоянным показателем преломления сердцевины называется ступенчатым, с изменяющимся - градиентным. Для передачи сигналов при­меняются два вида волокна: одномодовое и многомодовое.

В одномодовом волокне световодная жила имеет диаметр порядка 8-10 мкм, по которой может распространяться один луч (одна мода). В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм, что де­лает возможным распространение в нем большого числа лучей.

Волокно характеризуется двумя основными параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км) и опре­деляется потерями на поглощение и рассеяние света в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассея­ние - от неоднородности показателя преломления. Лучшие образцы волокна имеют затухание порядка 0.15-0.2 дБ/км, разрабатываются еще более «прозрач­ные» волокна с теоретическими значениями затухания порядка 0.02 дБ/км для волны длиной 2.5 мкм. При таком затухании сигнала могут передаваться на расстояние в сотни км без ретрансляции (регенерации).

Дисперсия обусловлена различием фазовых скоростей отдельных мод оп­тического сигнала, направляющими свойствами волокна и свойствами его ма­териала. Она приводит к искажению (расширению) формы сигнала при его распространении в волокне, что ограничивает дальность передачи и верхнее значение частоты спектра сигнала. Дисперсия волокна оценивается величиной увеличения на км длины временного параметра оптического сигнала или экви­валентной полосой частот пропускания.

Волокна объединяют в волоконно-оптические кабели, покрытые защит­ном оболочкой. По условиям эксплуатации кабели подразделяются на мон­тажные, станционные, зоновые и магистральные. Кабели первых двух типов используются внутри зданий и сооружений. Зоновые и магистральные кабе­ли прокладываются в колодцах кабельных коммуникаций, в грунтах, на опо­рах, под водой.

Хотя возможность утечки информации из волоконно-оптического кабеля существенно ниже, чем из электрического, но при определенных условиях такая утечка возможна. Для съема информации разрушают защитную обо­лочку кабеля, прижимают фото детектор приемника к очищенной площадке волокна и изгибают кабель на угол, при котором часть световой энергии на­правляется на фото детектор приемника.