Акустические каналы утечки информации

Аңдатпа

 

 

Дипломдық жұмыста,  лазерлік микрофонды зерртеп жинадым.

Бұл жұмыста  лазерлік микрофонды басқа шпиондық микрофондардан артықшылығын зерттедім.

Мен лазерлік микрофонның сұлбасында фототранзисторды фотодиодпен алмастырдым.

Мен оптикалық  қабылдағыштың соңңы каскадын: төмен жиілікті күшейткішті және детекторды есептедім.

Программалық  жүйеде детектордың детекторлеу  коэффициентін есептедім.

Өмір тіршілік қауіпсіздігін қамтамассыз етуде  мақсатында жасанды жарықтануды есептедім. Сонымен қатар лазердің сәулеленуін, лазерлік қауіп классын және лазерлік қауіп зонасын анықтадым.

Лазерлік  микрофонға жұмсалған қаражатты  есептедім.

 

 

Аннотация

 

 

В дипломной  работе представлена сборка лазерного  микрофона.

Также был  рассмотрена эффективность лазерного  микрофона перед другими шпионскими устройствами.

Из существующих схем я нашел только одну схему  лазерного микрофона так как это связано с военной техникой.

В существующей схеме я заменил фототранзистор, на фотодиод .

Рассчитан оконечный  каскад оптического приемника: усилитель низких частот и детектор.   

Для обеспечения  безопасности  жизнедеятельности было рассчитано искусственное освещение. Также была предусмотрена влияние лазера на человека, класс опасности лазера и лазерно-опасная зона. .

В целях обоснования  технологии проведен анализ затрат для разработки лазерного микрофона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение 9

1 Акустические каналы утечки информации 10

1.1 Общая характеристика 10

1.2 Оптикоакустический канал 15

1.3 История развития ЛСАР 17

1.4 Основы ЛСАР 17

1.5 Физические процессы, происходящие при перехвате речи с помощью ЛСАР 19

1.6 Качество лазерного канала утечки речевой информации 22

1.7 Потенциальная чувствительность и дальность действия лазерного микрофона 26

2 Расчет оконечного каскада оптического приемника 34

2.1 Расчет УНЧ 34

2.2 Расчет детектора 35

2.3 Программная часть 36

3 Технико-экономическое обоснование 38

3.1 Резюме 38

3.2 Характеристика проекта 38

3.3 Определение трудоемкости научно-исследовательской работы 39

3.4 Построение линейного графика выполнения НИР 40

3.5 Оценка удельного веса творческого труда по этапам НИР 42

3.6 Определение прибыли и договорной цены НИР 46

3.7 Оценка научной и научно-технической результативности работы 47

4 Безопасность жизнедеятельности 50

4.1 Анализ условий труда 50

4.2 Воздействие лазерного излучения на организм человека 51

4.3 Расчет искусственного освещения методом коэффициента использования 52

4.4 Расчет предельно допустимых параметров излучения и определение класса опасности лазера 54

4.5 Расчет максимального размера границы лазерно-опасной зоны 57

Заключение 60

Список литературы 61

Приложение А 62

Листинг программы расчетов 62

Приложение Б 63

Принципиальная схема оптического приемника 63

 

Введение

 

 

Развитие  и использование достижений современной  электроники привело к появлению  новых радиоэлементов и устройств  на их основе с новыми  замечательными параметрами и потребительскими свойствами. Широкое внедрение данных элементов и устройств, особенно в быт, привело к коренному  преобразованию условий жизни. Появились  высокочувствительные высококачественные малогабаритные радиоприемники, телевизоры, магнитофоны. Возможности персональных компьютеров постоянно увеличиваются. Аудио и видео, лазерные диски, мультимедиа, виртуальные реальности - новые понятия, новые возможности, новый уровень, повышающий качество жизни. Развитие средств связи сопровождается значительным расширением коммуникационных услуг. Через компьютер можно смотреть телепередачи, слушать радио, делать покупки не выходя из дома. практически мгновенно связываться через Internet или аналогичные системы с любой точкой мира. В эфире тесно, ДВ-, СВ-, KB-, УКВ- устройства, телевизионным каналам не хватает места. Спутниковые и кабельные системы, радио и волоконно-оптические линии связи становятся привычными. А сотовый радиотелефон уже не кажется чем-то выдающимся. Информация приобретает ценность и становится товаром. И как товар ее производят, хранят, продают. И как товар ее похищают, копируют и перепродают без разрешения иконного собственника нарушая его права и нанося ему экономический ущерб. А называется все это промышленный шпионаж, осуществляемый, как правило, с использованием всех достижений современной микроэлектроники: усилителей, приемников, передатчиков, ретрансляторов, магнитофонов, телевизоров. Подслушивают, подсматривают, перехватывают сообщения. Могут быть проконтролированы все используемые каналы передачи информации: звук, телефон, радио и т. д.

В настоящее  время предлагается много специальных  электронных средств, предназначенных  для несанкционированного доступа  к чужой информации - для электронного шпионажа. Такие устройства отличаются техническими параметрами, потребительскими свойствами, ценой. В большинстве  случаев в конструкции этих средств, как правило лежат достаточно простые принципы и схемотехнические решения. Самыми современными и эффективными считаются лазерные системы акустической разведки (ЛСАР).

Особая привлекательность  таких систем обусловлена тем, что  они позволяют решать задачи съема речевой информации максимально безопасно, на расстоянии, опосредованно, избегая необходимости захода в интересующее помещение с целью размещения там подслушивающего устройства, что всегда связано с риском. Кроме того, и выявление работающего лазерного микрофона очень сложно, а в ряде случаев технически неосуществимо

1 Акустические каналы утечки информации

 

1.1 Общая характеристика

 

 

В акустическом канале утечки носителем информации от источника к не-санкционированному получателю является акустическая волна в атмосфере, воде и твердой среде. Источниками ее могут быть:

- говорящий человек, речь которого подслушивается в реальном масштабе времени или озвучивается звуковоспроизводящим устройством;

- механические узлы механизмов и машин, которые при работе издают акустические вол-ны.

Структура этого  канала утечки информации принципиально  не отличается от структуры рассмотренных  каналов утечки информации и приведена  на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 - Структура акустического канала утечки информации

 

Источниками акустического  сигнала могут быть люди, звучащие механические, электрические или  электронные устройства, приборы  и средства, воспроизводящие ранее  записанные звуки. Источники сигналов характеризуются диапазоном частот, мощностью излучения в Вт, интенсивностью излучения в Вт/м² – мощностью акустической волны, прошедшей через перпендикулярную поверхность площадью 1 м², громкостью звука в дБ, измеряемой как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости. Порог слышимости соответствует мощности звука 10^–12 Вт или звуковому давлению на барабанную перепонку уха человека 2–10^–5 Па. Уровни громкости различных звуков иллюстрируются данными таблицей 1.1.

Среда распространения носителя информации от источника к приемнику может  быть однородной (воздух, вода) и неоднородной, образованной последовательными участками  раз-личных физических сред: воздуха, древесины  дверей, стекол окон, бетона или кирпича  стен, различными породами земной поверхности  и т. д. Но и в однородной среде  ее параметры не постоянные, а могут  существенно отличаться в разных точках пространства.

 

 

Таблица 1.1 - Уровни громкости различных звуков

Оценка громкости звука на слух	Уровень звука, дБ	Источник звука
Очень тихий	0-10	Усредненный порог чувствительности уха Тихий шепот (1.5 м)
Тихий	20-30-40	Тиканье настенных механических часов  Шаги по мягкому ковру (3– 4 м) Тихий разговор, шум в читальном  зале
Умеренный	50-60	Шум в жилом помещении, легковой автомобиль (10–15 м) Улица средней шумности
Громкий	70-80	Спокойный разговор (1 м), зал большого магазина Радиоприемник громко (2 м), крик
Очень громкий	90-100	Шумная улица. гуд°к автомобиля Симфонический оркестр, автомо- бильная сирена
Оглушительный	ПО  120-130	Пневмомолот, очень шумный цех Гром над головой. Звук воспринимается как боль

Акустические  волны как носители информации характеризуются  следующими показателями и свойствами:

-скоростью распространения носителя; величиной (коэффициентом) затухания или поглощения;

-условиями распространения акустической волны (коэффициентом отражения от границ различных сред, дифракцией).

Теоретически  скорость звука определяется формулой Лапласа:

 

                                                          (1.1)

 

где К – модуль всесторонней упругости (когда сжатие производится без притока и отдачи тепла) вещества среды распространения; ρ – плотность вещества среды распространения.

Для газов  модуль всесторонней упругости равен  их давлению. При сжатии газа увеличение давления сопровождается пропорциональным увеличением его плотности. Поэтому  скорость звука в газе не зависит  от его плотности, а пропорциональна корню квадратному из температуры газа, значению универсальной газовой постоянной, отношению величин теплоемко-стей газа при постоянном объеме и давлении.

Скорость  звука в морской воде зависит  от ее температуры, солености и давления на рассматриваемой глубине, а в  твердых телах определяется, в  основном, плотностью и упругостью веществ. Значение скорости распространения  звука в некоторых типичных средах приведены в таблице 1.2

 

Т а б л и ц а 1.2 - Значение скорости распространения звука в некоторых типичных средах

Среда распространения	Скорость, м/с
Воздух при температуре 0°С +20°С	332 344
Вода морская	1440–1540
Железо	4800–5160
Стекло	3500–5300
Дерево	4000–5000

 

При распространении  звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющей точки  поля с одинаковой фазой колебания. По мере распространения в любой  среде звуковые волны затухают. Затухание звуковых волн в морской воде больше, чем в дистиллированной и меньше (почти в 1000 раз), чем в воздухе. При этом величина затухания зависит от длины акустической волны. С увеличением частоты величина затухания быстро возрастает, поэтому при постоянной мощности излучения дальность распространения с ростом частоты падает.

При распространении  акустической волны в среде ее траектория изменяется в результате отражений и дифракции. На границе  сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной  среды в другую, частично отражается от границы между двумя средами. Доля проникшего или отраженного  звука зависит от соотношения  значений акустических со-противлений сред, равных произведению удельной плотности вещества ρ на скорость звука в нем υ.

Коэффициент проникновения звука в иную среду  при существенном различии акустических сопротивлений сред оценивается  по приближенной формуле Рэлея:

 

                                                        (1.2)

 

В соответствии с этой формулой при нормальном падении  звука из воздуха на воду, бетон, дерево в эти среды проникает не более тысячной доли мощности звука. Отражение звука может происходить от поверхности раздела слоев воздуха и воды с разными значениями акустического сопротивления вследствие неодинаковой температуры и плотности. Этим объясняются значительные колебания (в 10 и более раз) дальности распространения звука в атмосфере. Заметное влияние на характер распространения акустической волны в атмосфере может оказать ветер.

При определенных условиях неоднородности создают условия  для образования акустических (звуковых) каналов, по которым акустическая волна  может распространяться на значительно  большие расстояния, как свет по оптическим световодам. Акустические каналы чаще всего образуются в воде морей и океанов на определенной глубине, на которой в результате влияния двух противоположных природных факторов (плотности воды и ее температуры) минимизируется скорость распространения акустической волны. Скорость распространения акустической волны в воде, с одной стороны, увеличивается с глубиной из-за повышения плотности воды, но, с другой стороны, уменьшается при понижении ее температуры в более глубоких слоях, особенно в летнее время. В результате этих двух противоположных факторов влияния на определенной глубине, зависящей от температуры над поверхностью воды и ее солености, об-разуются области с меньшей скоростью распространения акустической волны. Акустическая волна, попадающая в эту область, распространяется внутри ее с соответствующим для параметров воды затуханием. При отклонении траектории распространения волна, преломляясь в неоднородностях области, возвращается в канал. В акустическом канале звуковая волна от подвод-ных взрывов может распространяться на расстояние в сотни км.

При каждом отражении  часть энергии звука теряется вследствие поглощения. Отношение поглощенной  энергии звука к падающей называется коэффициентом поглощения. Коэффициенты поглощения звука а некоторых материалов приведены в таблице 1.3.

За счет многократных переотражений акустической волны в замкнутом пространстве возникает явление послезвучания – реверберация. Величина реверберации оценивается временем Тр после выключения источника звука, в течение которого энергия звука уменьшается на 60 дБ.

 

Т а б л  и ц а 1.3 - Коэффициенты поглощения звука а некоторых материалов.

Материалы	Коэффициент	Материалы	Коэффициент
Оштукатуренная	0,025	Линолеум	0,12
Бетонная стена	0,015	Ковер	0,2
Стекло	0,027	Паркет	0,06

 

Вследствие  многократных переотражений в помещении на барабанную перепонку чело-века или мембрану микрофона оказывают давление акустические волны, распространяющиеся разными путями от источника звука. Интерференция волн с разными фазами может при достаточно большом времени реверберации приводить к ухудшению соотношения сигнал/помеха в точке приема и уменьшению разборчивости речи. Чем больше размеры помещения и меньше коэффициент поглощения ограждающих поверхностей, тем больше время реверберации. При большом времени реверберации помещение кажется гулким. Однако при очень малом Тр на микрофон воздействует, в основном, быстрозатухающая прямая волна. В этом случае слышимость речи при удалении от источника резко уменьшается, а тембр звуков речи за счет большего затухания в среде распространения высоких частот обедняется. Время реверберации менее 0,85 с незаметно для слуха. Для большинства помещений организаций их объемы и акустическая отделка время реверберации мало (0,2–0,6) с и его можно не учитывать при оценке разборчивости.

Для концертных залов, имеющих существенно большие размеры, время реверберации определяет их акустику. Установлено, что в малых помещениях объемом V до 350 оптимальной является реверберация со временем до 1.06 сек. При увеличении объема помещения время реверберации пропорционально повышается и принимает для V = 27000 значение около 2 сек.

Время реверберации в помещении объемом V вычисляется по формуле Эйринга:

 

                                  (1.3)

 

где S – суммарная площадь всех поверхностей помещения;

     – средний коэффициент звукопоглощения в помещении;

     и – площадь и коэффициент поглощения k-й ограждающей поверхности соответственно.

При распространении  структурного звука в конструкциях зданий, особенно в трубопроводах, возникают  реверберационные искажения, снижающие разборчивость речи на 15–20%.

Акустическая  волна в отличие от электромагнитной в значительно большей степени  поглощается в среде распространения. Поэтому дальность акустического канала утечки информации, в особенности от такого маломощного источника как человек, мала и, как правило, не обеспечивает возможность ее съема за пределами территории организации. Речь человека при обычной громкости может быть непосредственно подслушана злоумышленником на удалении единиц и в редких случаях – десятков метров, что, естественно, крайне мало.

Ухудшение разборчивости  речи при прохождении звука через  различных строительные конструкции иллюстрируется данными в таблице 1.4.

 

 

 

 

Т а б л  и ц а 1.4 - Разборчивость речи при прохождении звука через различных строительные конструкции

Тип конструкции		Ожидаемая разборчивость слогов, %
Кирпичная стена (I кирпич)	25/0
Гипсолитовая стена		90/0
Деревянная стена		99/63
Пластиковая стена	99/55
Дверь обычная филенчатая	100/73
Дверь двойная	95/36
Окно с одним стеклом 3 мм		90/33
Окно с одним стеклом 6 мм		87/15
Оконный блок 2x3 мм	82/0
Вентиляционный канал 20 м		90/2
Оконный кондиционер		95/63
Бетонная стена	88/0
Перегородка внутренняя	96/80
Трубопровод (в соседнем помещении)	95/55
Трубопровод (через этаж)	87/36

Акустические  шумы и помехи вызываются многочисленными  источниками – автомобильным  транспортом, ветром, техническими средствами в помещениях, разговорами в помещениях и т. п. Уровни шумов изменяются в  течение суток, дней недели, зависят  от погодных условий. Ночью и в  выходные дни шумы меньше. Средние  значения акустических шумов на улице  составляют 60–75 дБ в зависимости  от интенсивности движения автомашин  в районе расположения здания. Уровень  шумов в помещениях по существующим нормам не должен превышать 50 дБ.

Акустические  сигналы при прохождении через  вентиляционные воздухопроводы ослабевают из-за поглощения в стенах короба и  в изгибах. Затухание в прямых металлических воздуховодах составляет 0,15 дБ/м, в неметаллических – 0,2–0,3 дБ/м. При изгибах затухание достигает 3–7 дБ (на один изгиб), при изменениях сечения – 1–3 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода помещения составляет 10–16 дБ .

 

1.2 Оптикоакустический канал

 

 

Перехват  речевой информации из помещений  может осуществляться с помощью лазерных средств акустической разведки. В этом случае применяется дистанционное лазерно-локационное зондирование объектов, обладающих определенными свойствами и являющихся потенциальными источниками закрытой речевой информации. В качестве таких объектов могут выступать оконные стекла и другие виброотражающие поверхности.

 

 

Рисунок 1.2 – Обобщенная структурная схема оптико-акустического канала утечки информации.

 

Генерируемое  лазерным передатчиком колебание наводится  на оконное стекло помещения, в котором  ведется обсуждение закрытых вопросов. Возникающие при разговоре акустические волны, распространяясь в воздушной  среде, воздействуют на оконное стекло и вызывают его колебания в  диапазоне частот, соответствующих  речевому сообщению: таким образом происходит виброакустическое преобразование речевого сообщения в мембране, роль которой играет оконное стекло. Лазерное излучение, падающее на внешнюю поверхность оконного стекла (мембраны), в результате вибро-оптического преобразования оказывается промодулированным сигналом, вызывающим колебания мембраны. Отраженный оптический сигнал принимается оптическим приемником, в котором осуществляется восстановление разведываемого сообщения.

На  рисунке 1.2 приведена обобщенная структурная схема оптико-акустического канала перехвата речевой информации. К настоящему времени созданы различные системы лазерных средств акустической разведки, имеющие дальность действия от десятков метров до единиц километров . Например, система SIPE LASER 3-DA SUPER состоит из источника излучения (гелий-неонового лазера), приемника этого излучения с блоком фильтрации шумов, двух пар головных телефонов, аккумулятора питания и штатива. Наведение лазерного излучения на оконное стекло нужного помещения осуществляется с помощью телескопического визира. Использование специальной оптической насадки позволяет регулировать угол расходимости вы-ходящего светового пучка. Система обеспечивает перехват речевой информации с хорошим качеством на расстоянии до 250 м. В лазерном устройстве НРО150 в качестве передатчика также используется гелий-неоновый лазер. В состав приемника включены блок компенсации помех и кассетное устройство магнитной записи. Дальность ведения разведки до 1000м.

К устройствам  лазерной акустической разведки предъявляются  высокие требования с точки зрения их помехоустойчивости, поскольку качество перехватываемой информации существен-но зависит от наличия и уровней фоновых акустических шумов, помеховых вибраций отражателя-модулятора, а также ослабления лазерного излучения в атмосфере и фоновой оптической засветки при приеме отраженного от объекта сигнала.

 

1.3 История развития ЛСАР

 

 

По свидетельству прессы (в том числе и специальных изданий), в США, например, в середине 80-х годов продавцы спецтехники отметили всплеск интереса у покупателей именно к лазерным микрофонам. Не меньший интерес в настоящее время проявляется к данным изделиям и в России. В связи с этим уместно провести анализ современного уровня развития ЛСАР, коснуться физических особенностей съема информации и рассмотреть ряд факторов, влияющих на результаты применения данного средства. История создания первых ЛСАР уходит в 30-е годы, когда подобные устройства пытались сконструировать с помощью лампы и светофильтра. При этом лабораторные испытания можно было признать успешными. C развитием лазерной техники уже в 60-е годы удалось создать и поставить на вооружение ЦРУ первые специализированные системы съема информации. 

 

1.4 Основы ЛСАР

 

 

В последние  годы появилась информация, что спецслужбы различных стран и недобросовестно конкурирующие фирмы для несанкционированного получения речевой информации все чаще используют дистанционные портативные средства акустической разведки. Эти сообщения закономерно вызывают серьезные опасения руководителей служб безопасности предприятий и организаций. Самыми современными и эффективными считаются лазерные системы акустической разведки (ЛСАР), которые позволяют воспроизводить речь, любые другие звуки и акустические шумы при лазерно-локационном зондировании оконных стекол и других отражающих поверхностей.

 

 

Рисунок 1.3 - Схема применения лазерного микрофона

 

На сегодняшний  день создано целое семейство  лазерных средств акустической разведки. Достижения в развитии лазерной техники  позволили значительно улучшить технические характеристики и надежность работы данных систем разведки. Достаточно сказать, что появилась возможность  дистанционной регистрации колебаний  стекла с амплитудой вплоть до 10^-14—10^-16 м, имеются сообщения о потенциальной возможности работы по объектам на расстояниях до 10 км, а наработка на отказ серийного гелий-неонового лазера составляет не менее 10 000 часов.

Примером  современных ЛСАР могут служить устройства:

НР0150 — лазерная система, обеспечивающая эффективное обнаружение, подслушивание и регистрацию разговоров, ведущихся в помещениях. Дальность его действия 1000 м. Устройство использует излучение гелий-неонового или полупроводникового лазера с длиной волны 0,63 мкм (что, кстати, является большим недостатком, так как пятно видно глазом, более современные системы работают в ближнем ИК-диапазоне). Прослушивание и перехват разговоров ведутся благодаря приему переотраженного сигнала от обычного оконного стекла, представляющего собой своеобразную мембрану, колеблющуюся со звуковой частотой и создающую фонограмму происходящего разговора. Приемник и передатчик выполнены раздельно. Кассетное устройство магнитной записи и специальный блок компенсации помех, а также треноги поставляются в комплекте устройства. Вся аппаратураразмещена в небольшом чемодане. Электропитание — от батареи.

Sipe Laser 3-DA Super — данная модель состоит из источника излучения (гелий-неонового лазера), приемника этого излучения с блоком фильтрации шумов, двух пар головных телефонов, аккумулятора питания и штатива. Наводка лазерного излучения на оконное стекло нужного помещения осуществляется с помощью телескопического визира. Используется оптическая насадка, позволяющая изменять угол расходимости выходящего пучка, и система автоматического регулирования, задающая высокую стабильность параметров. Система обеспечивает съем речевой информации с хорошим качеством с оконных рам с двойными стеклами на расстоянии до 250 м.

 

1.5 Физические процессы, происходящие при перехвате речи с помощью ЛСАР

 

 

Принцип работы ЛСАР, заключается в следующем. Генерируемое лазерным передатчиком излучение (ВЧ-сигнал) распространяется через  атмосферу, отражается от поверхности  оконного стекла, модулируется при  этом по закону акустического сигнала, также воздействующего на стекло, повторно преодолевает атмосферу и  принимается фотоприемником, восстанавливающим  разведываемый сигнал. В данной технологии принципиальное значение имеет процесс модуляции, который можно описать следующим образом:

- звуковая волна, генерируемая источником акустического сигнала, падая на границу раздела воздух—стекло, вызывает отклонения поверхности стекла от исходного положения. Отклонения приводят к дифракции света, отражающегося от этой границы. Действительно, это заметно, например, при падении плоской монохроматической звуковой волны на плоскую границу раздела. Отклонения границы от стационарного состояния представляют собой бегущую вдоль стекла «поверхностную» волну с амплитудой, пропорциональной амплитуде смещений среды в поле звуковой волны, а длина А, этой поверхностной волны равна:

 

                                                          (1.4)

 

где — угол падения, и — длина падающей акустической волны.

 -отраженный от возмущенной поверхности свет содержит сдвинутые по частоте дифракционные компоненты.

Если поперечный размер падающего пучка лазерного  излучения значительно превышают  длину поверхностной волны, то отраженный свет представляет собой совокупность дифрагирующих пучков, распространяющихся по дискретным направлениям, определяемым из равенства:

                                              (1.5)

 

где - угол падения исходного светового пучка,

      - волновое число,

    - длина световой волны.

 

Рисунок 1.4 – Принцип работы лазерного микрофона