Оптические каналы утечки информации

Структура оптического канала утечки информации имеет вид, показанный рис. 3.1 [2].

Рис. 3.1. Структура оптического канала утечки информации

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.

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 диапазоне волн и ИК-диапазоне могут существенно отличаться.

В видимом диапазоне мощность излучения определяется в подавляющем большинстве случаев мощностью отраженного света и содержащихся в спектре 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 ближнем (0.76–3 мкм) и среднем (3–6 мкм) диапазонах собственная мощность 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). Видимая часть спектра излучения лежит в диапазоне 0,4 мкм (фиолетовый цвет) до 0,76 мкм (красный цвет). 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 содержащимися в ней молекулами газов, частицами пыли, дыма, кристалликами льда, каплями воды. В результате такого взаимодействия часть солнечной энергии поглощается, другая – рассеивается.

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 мкм 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. Для сравнения уровней освещенности скажем, что наименьшая освещенность, воспринимаемая привыкшим к темноте глазом, составляет 10^-9 лк, а свет свечи виден на расстоянии 4…9 км. Напомню, что 1 люкс освещенности равен 1 люмену светового потока на 1 квадратный метр площади. 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: 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.

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

• вода,

• 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. Призрачность атмосферы как канала распространения света оценивается метеорологической дальностью видимости. Под метеорологической дальностью 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 таблице 3.1.

Таблица 3.1.

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 D в километрах с учетом кривизны Земли можно рассчитать по формуле:

D [км] =3,57( + ),

где – высота размещения объекта над поверхностью земли в метрах,

– высота расположения наблюдателя в метрах.

Например, для = 3 м и = 5 м, D= 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 диапазоне и ИК-диапазоне могут существенно отличаться.

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.

Оптическое волокно представляет собой нить диаметром около 100 мкм, изготовленную из кварца на основе двуокиси кремния. Волокно состоит из сердцевины (световодной жилы) и оболочки из оптически менее плотного кварца. Значения показателей преломления (отношений скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде) жилы и оболочки выбираются такими, чтобы обеспечить полное отражение света, распространяющегося по световодной жиле, от границы между жилой и оболочкой. Пример изменения угла преломления света в стекле приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Изменение угла преломления света в стекле

Показатель преломления равен величине:

> 1,

где – скорость света в вакууме;

– скорость света в стекле.

Чем больше величина показателя преломления n, тем больше значение угла . Пример распространения света в оптическом волокне приведен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Распространение света в оптическом волокне

Предельный угол полного отражения света (угол падения света на границу раздела среды, при равенстве или превышении которого наблюдается полное отражение света от этой границы) определяется из соотношения:

,

где – показатель преломления оболочки оптического волокна;

– показатель преломления световодной жилы оптического волокна.

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, где у кварца наблюдается повышенная прозрачность. При таком затухании сигнала могут передаваться на расстояние в сотни километров без ретрансляции (регенерации).

В качестве источника света для оптических каналов связи используются лазеры. Однако лазер излучает не идеальное монохроматическое колебание, а некоторый спектр длин волн. Поэтому спектральные составляющие оптического сигнала распространяются с разными фазовыми скоростями, которые зависят от показателя преломления. В результате происходит разброс– дисперсия моментов прихода спектральных составляющих сигнала в точку приема. Дисперсия приводит к искажению (расширению) формы сигнала при его распространении в волокне, что ограничивает дальность передачи и верхнее значение частоты спектра передаваемого сигнала.

Дисперсия волокна оценивается величиной увеличения длительности оптического сигнала на один километр длины или верхней граничной частотой модулирующего сигнала.

Волокна объединяют в волоконно-оптические кабели, покрытые защитной 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. Постоянные соединения отрезков оптических волокон между собой осуществляют свариванием, сплавлением или склеиванием в юстировочном устройстве. Оптические разъемы (соединители) должны допускать многократные соединения–разъединения оптических волокон. Рассогласование волокон возникает из-за имеющихся различий в числовой апертуре, профиле показателя преломления, диаметре сердцевины или из-за погрешностей во взаимной ориентации волокон при их соединении.

Основными причинами излучения световой энергии в окружающее пространство в местах соединения оптических волокон являются:

• смещение (осевое несовмещение) стыкуемых волокон (рис. 3.4,а);

• наличие зазора между торцами стыкуемых волокон (рис. 3.4,б);

• непараллельность торцевых поверхностей стыкуемых волокон (рис. 3.4,в);

• угловое рассогласование осей стыкуемых волокон (рис. 3.4,г);

• различие в диаметрах стыкуемых волокон (рис. 3.4,д).

Рис. 3.4. Основные причины излучения из мест соединения световолокна в окружающее пространство.

Исследования показывают, что наиболее интенсивное излучение в окружающее пространство наблюдается при наличии сдвига соединяемых волокон относительно друг друга.

Для съема информации теоретически можно разрушить защитную оболочку кабеля, прижать фотодетектор приемника к очищенной площадке волокна и изогнуть кабель на угол, при котором часть световой энергии направляется на фотодетектор приемника.

Практически информацию из оптического волокна добывают в местах соединения кабеля с техническими средствами, или в местах соединения кабелей друг с другом.