Физические основы защиты информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

28

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный технический университет

Кафедра "Системы информационной безопасности"

Реферат

по дисциплине Физика

на тему: Физические основы защиты информации

Выполнил:

студент группы КБ-091 Уразов М.Ю.

Принял: к. ф-м. н., доц.

Тураева Т.Л.

Воронеж 2010 г.



1. Приёмники акустических сигналов

Поскольку акустические волны - это колебания давления, то для восприятия их применяют элементы, чувствительные к быстрым колебаниям внешнего давления. Как правило, это легкие мембраны или диафрагмы, преобразующие колебания давления воздуха, жидкости или твердого тела в механические колебания, которые, в свою очередь, превращаются далее в электрические сигналы или в сигналы другой природы.

Датчики, чувствительные к звуковым волнам, распространяющимся в воздухе или в газах, обычно называют микрофонами; датчики, чувствительные к акустическим волнам, которые распространяются в воде или в жидкостях, - гидрофонами; а датчики акустических волн в твердых телах, - стетоскопами. Врачи, например, уже много столетий применяют механические стетоскопы для прослушивания звуков внутри грудной клетки человека, возникающих в результате сокращений сердца, прохождения воздуха по дыхательным путям и т.д.

Основными параметрами акустических датчиков являются: частотный и динамический диапазоны, чувствительность, диаграмма направленности и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

1.1 Микрофоны

Любой микрофон состоит из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие ее, а на вторую - прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Первым получил распространение угольный микрофон, который и до сих пор используют в телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Угольный микрофон (рис. 1.1, а) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если, скажем, включить микрофон к первичной обмотке трансформатора Т, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.

Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 1.1, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему свойственны узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной.

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 1.1, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электродинамический микрофон стабилен, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики.

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 1.1, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая, обычно алюминиевая, тонкая (порядка 2 мкм) ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах развивается напряжение.

Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках напряжение, развиваемое на концах ленточки подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона.

Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Принципиально он работает следующим образом (рис. 1.1, д). Жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в связи с чем в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили микрофоны пьезоэлектрические (рис. 1.1, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Действие транзисторных микрофонов (весьма мало распространенных) основывается на том, что под действием звукового давления на диафрагму и скрепленное с ней острие, являющееся одновременно эмиттером полупроводникового триода, изменяется сопротивление эмиттерного перехода через него. Хотя транзисторные микрофоны с диафрагмой достаточно чувствительны, но они недостаточно стабильны и их частотные характеристики даже в сравнительно узком диапазоне частот неравномерны.

Стереофонический микрофон представляет собой систему из двух микрофонов, конструктивно размещенных в общем корпусе на одной оси друг над другом. Для записи по системе XY применяют стереофонические микрофоны, состоящие из двух одинаковых монофонических микрофонов с кардиоидными характеристиками направленности, причем акустические оси левого и правого микрофонов повернуты на 90° относительно друг друга (рис. 1.2, а). При записи по системе MS один из микрофонов (микрофон середины) имеет круговую характеристику направленности, а другой (микрофон стороны) - косинусоидальную характеристику направленности (рис. 1.2, б).

Радиомикрофон представляет собой систему, состоящую из микрофона, переносного малогабаритного передатчика и стационарного приемника. Микрофон чаще всего используют динамический катушечный или электретный. Передатчик либо совмещают в одном корпусе с микрофоном, либо выполняют карманного типа. Он излучает энергию радиочастот в УКВ диапазоне на одной из фиксированных частот. Вследствие влияния дополнительных преобразований в системе "передатчик - эфир - приемник" качественные параметры радиомикрофона уступают параметрам обычного микрофона.

Для приема речи в условиях окружающего шума применяют ларингофоны. Эти приборы воспринимают механические колебания гортани, возникающие при речеобразовании. Для этого ларингофоны (обычно пара) прижимаются к шее в области гортани. По принципу преобразования ранее применялись угольные ларингофоны, а в настоящее время - электромагнитные. Отличие их от соответствующих микрофонов в том, что в них нет диафрагм, на которые воздействует звуковое давление, а подвижный элемент вследствие инерции перемещается относительно корпуса колеблющегося в такт с колебанием гортани, к которой он прилегает.

1.2 Гидрофоны

В отличие от микрофонов, гидрофоны должны быть стойкими к высоким статическим давлениям, характерным для больших глубин. Их применяют в гидроакустике для прослушивания акустических сигналов и шумов, распространяющихся в жидкостях, для измерения параметров этих сигналов и в качестве составляющих элементов приемных гидроакустических антенн. Наиболее распространены электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные гидрофоны. В магнитострикционных гидрофонах используют т.н. "обратный магнитострикционный эффект" в ферромагнетиках - изменение магнитной индукции при изменениях внешнего давления, которое приводит к появлению переменной ЭДС в обмотке.

В зависимости от назначения они имеют довольно разнообразное конструктивное исполнение и разные технические характеристики. В целом они перекрывают диапазон частот от 0,1 Гц (для восприятия и измерения инфразвуковых волн, распространяющихся в воде на сотни и даже на тысячи километров), до 500 кГц (для высокоточной ультразвуковой локации). Могут работать на глубинах до 1000 м и более, выдерживая статические давления свыше 10 МПа. Их диаграмма направленности, как правило, предельно широкая - все 360° по азимуту и до 170° в вертикальной плоскости. Амплитудно-частотная характеристика в рабочем диапазоне почти плоская.

Гидрофонам присуща очень высокая чувствительность - до 220 дБ. Чувствительный элемент герметически запаковывают в специальную, прозрачную для звука, синтетическую резину (например, полихлорпрен). Корпус делают из прочного, стойкого против коррозии и против обрастания в морской воде металла, - например, из сплава алюминий-бронза. Значительное внимание уделяют герметичному соединению гидрофона с кабелем и прочности кабеля, который может иметь длину порядка 1000 м.

Как и в случае микрофонов, значительный прогресс в усовершенствовании гидрофонов обеспечивает применение микросистемных технологий. Благодаря МСТ можно значительно расширить частотный диапазон и уже в самом гидрофоне выполнять селекцию и электронную обработку акустических сигналов, передавая по длинному кабелю уже хорошо обработанные мощные сигналы, устойчивые против электромагнитных помех и шумов.

1.3 Стереоскопы

В стетоскопах акустические колебания внешней грани твердого тела преобразуют в соответствующие колебания давления газа или жидкости. Они по звукопроводящей трубке передаются на чувствительный к акустическим колебаниям элемент. С целью повышения чувствительности площадь контакта стетоскопа с твердым телом увеличивают, а стенки звукопроводящей трубки постепенно сужают, чтобы сконцентрировать акустические колебания давления на небольшой площади и увеличить их амплитуду. Сужение, как правило, производится по экспоненциальному закону.



2. Электронные устройства перехвата речевой информации

К электронным устройствам перехвата речевой информации (закладным устройствам) относятся малогабаритные автономные автоматические средства акустической разведки, скрытно внедряемые (устанавливаемые) в служебные помещения, предназначенные для проведения конфиденциальных мероприятий (совещаний, обсуждений, конференций, переговоров и т.п.), или в смежные с ними помещения.

Электронные устройства перехвата речевой информации (акустические закладки) можно классифицировать по типу используемых датчиков, виду исполнения, типу источника питания, способам передачи информации и ее кодирования, способу управления передатчиком, месту установки, и т.д.

В акустических закладках для преобразования речевого сигнала в электрический используются следующие виды датчиков: микрофоны-преобразователи акустических сигналов, распространяющихся в воздушной среде; вибродатчики (контактные микрофоны) -- преобразователи виброакустических сигналов, распространяющихся по строительным конструкциям и инженерным коммуникациям зданий).

Закладные устройства с датчиками микрофонного типа устанавливаются или непосредственно в служебных помещениях, предназначенных для проведения конфиденциальных мероприятий (выделенные помещения), или в выходах кондиционеров и каналах систем вентиляции смежных с выделенными помещений. В них используются микрофоны с чувствительностью 30-50 мВ/Па, обеспечивающие регистрацию тихой речи (уровень громкости 64 дБ) на удалении до 10-15 м от ее источника.

Закладные устройства с датчиками контактного типа позволяют перехватывать речевую информацию без физического доступа злоумышленников в выделенные помещения. Чувствительность вибропреобразователей составляет 50-100 мкВ/Па, что дает возможность с использованием данных устройств перехватывать речевую информацию через ограждающие железобетонные и кирпичные стены толщиной до 1 м, а по трубопроводам -- через 1-2 этажа. Закладки могут быть выполнены в виде отдельного модуля, как правило, в форме параллелепипеда или закамуфлированы под предметы повседневного обихода: пепельницу, электронный калькулятор, электролампочку, зажигалку, наручные часы, авторучку, вазу и т.п. В обычном исполнении объем закладного устройства без элементов питания составляет от 0,5-1,3 см3 до 10-20 см3.

Питание акустических закладок осуществляется от автономных источников питания (аккумуляторы, батареи), электросети переменного тока или телефонной сети. В зависимости от мощности излучения и типа источника питания время работы акустической закладки составляет от нескольких часов до нескольких суток и даже месяцев. При электропитании от сети переменного тока или телефонной линии время их работы не ограничено.

Перехватываемая акустическими закладками информация может или записываться с использованием портативных устройств звукозаписи, или передаваться к внешним средствам регистрации по радио- и оптическому каналам, электросети переменного тока, телефонным линиям и т.д. В качестве внешних устройств регистрации речевой информации наиболее широко используются цифровые магнитофоны (диктофоны), устанавливаемые в местах сбора разведывательной информации.

Акустические закладки, передающие информацию по радиоканалу, представляют собой специальные миниатюрные радиоредатчики (радиозакладки). Для передачи информации используются VHF (метровый), UHF (дециметровый) и GHz (ГГц) диапазоны длин волн. Наиболее часто используются диапазоны частот: 130-174 МГц; 350-450 МГц; 850-950 МГц и 1100-1300 МГц. Однако не исключено использование и других поддиапазонов. В радиозакладках в основном используются простые сигналы с частотной широкополосной (WFM) или узкополосной (NFM) модуляцией частоты. При использовании широкополосной частотной модуляции ширина спектра излучаемого сигнала составляет 30-120 кГц. Для использования узкополосной частотной модуляции необходима кварцевая стабилизация частоты передатчика, но при этом можно существенно сузить спектр передаваемого сигнала (до 6-10 кГц) и, следовательно, значительно увеличить дальность передачи информации (при условии, что для приема будет использоваться специальный приемник).

Дальность передачи информации во многом зависит от мощности излучения и вида используемой модуляции. Например, при мощности передатчика 1 мВт и узкополосной частотной модуляции (NFM) дальность передачи информации составляет до 100 м. Как правило, без использования ретрансляторов, дальность передачи не превышает 300-500 м. Для повышения скрытности используются сложные сигналы (например, шумоподобные или с псевдослучайной перестройкой несущей частоты и т.п.) и различные способы кодирования передаваемой информации.

2.1 Особенности современных радиозакладок

Применяются различные способы кодирования: аналоговое скремблирование речевого сигнала (как правило, инверсия спектра) и цифровое кодирование, заключается в преобразовании речевого сигнала в цифровой вид с последующим шифрованием по одному из алгоритмов.. В таких закладках в дежурном режиме напряжение подается только на радиоприемное устройство, постоянно готовое к приему сигнала управления, при получении которого подается команда на включение передатчика. Как правило, сигналы управления передаются в VHF- и UHF- диапазонах длин волн. Для исключения ложных срабатываний сигнал управления кодируется.

Использование системы дистанционного управления значительно повышает скрытность ее использования, а также увеличения времени работы. Для повышения скрытности работы в некоторых закладках используется разделение этапов съема и передачи информации (закладки с промежуточным накоплением). Они имеют в своем составе цифровой накопитель, приемник сигналов дистанционного управления и специальный передатчик для ускоренной передачи информации. В таких закладках в течение некоторого времени осуществляется перехват акустической информации, преобразование ее в цифровой вид и запись во внутреннюю память закладки. Передача информации в эфир осуществляется через определенные промежутки времени или по команде дистанционного управления. Соотношение времени накопления и времени передачи может составлять от 40:1 до 120:1. Различают закладки с коротким временем (несколько секунд) и длительным (от нескольких десятков минут до нескольких десятков часов). Например, для закладки с соотношением времени накопления и времени передачи 100:1 при времени накопления 3 с, информация будет передаваться короткими пакетами, длительностью 30 с и с периодичностью 3 с, а при времени накопления 24 часов -раз в сутки в течение времени менее 15 минут. Для приема передаваемой информации в таких системах используются специальные устройства, включающие в себя скоростные приемники информации и скоростные накопители информации с функцией нормального воспроизведения. Одной из разновидностей дистанционно управляемых акустических закладок являются, так называемые «аудиотранспондеры», представляющие собой микропередатчики, в которых роль задающего генератора выполняет внешний высокочастотный генератор.

То есть такая закладка начинает работать только при облучении ее мощным гармоническим высокочастотным зондирующим (опорным) сигналом. Приемник транспондера выделяет зондирующий сигнал и подает его на модулятор. В качестве модулирующего используется сигнал, поступающий с микрофонного усилителя. Модулированный высокочастотный сигнал переизлучается, при этом его частота может смещаться относительно несущей частоты зондирующего сигнала. Время работы транспондеров составляет несколько месяцев, так как потребляемый ток как в дежурном, так и рабочем режимах незначителен.

2.2 Инфракрасные акустические закладки

Недостатком радиозакладок является возможность обнаружения их радиоизлучений специальными приемниками. С целью устранения этого недостатка разработаны закладные устройства, передающие информацию по оптическому каналу в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне (0,8 -- 1,1 мкм). Такие закладки иногда называют «инфракрасными», или ИК-закладками. Инфракрасный передатчик преобразует акустические колебания в световые, используя при этом широтно-импульсную модуляцию. Для приема информации, передаваемой такими закладками, используются приемники оптического излучения. Дальность передачи информации составляет несколько сот метров.

2.3 Сетевые аудиозакладки

Кроме радио и оптического канала для передачи информации используются линии электропитания силовой сети 220 В. Такие закладки часто называют сетевыми. Они могут быть установлены в электрические розетки, удлинители, бытовую аппаратуру, питающуюся от сети переменного тока, или непосредственно в силовую линию. Для приема информации, передаваемой сетевыми закладками, используются специальные приемники, подключаемые к силовой сети в пределах здания (силовой подстанции).

Принцип работы сетевой закладки мало чем отличается от принципа работы обычной радиозакладки, у которой в качестве антенны используется силовой провод, но при этом в основном используют частоты от 40 до 600 кГц (в ряде случаев могут быть использованы частоты до 5-10 МГц).

С использованием сетевых закладок возможна передача информации на расстояния до 300-500 м в пределах одного или нескольких здании, питающихся от одной низковольтной шины трансформаторной подстанции.

2.4 Радиозакладки типа «телефонное ухо»

Кроме сети электропитания для передачи информации широко используются телефонные линии связи. Наибольшее распространение среди таких закладок нашли устройства типа «телефонного уха», прием информации с которых может осуществляться с обычного или сотового телефона. Данное устройство включает в себя контроллер состояния телефонной линии, дешифратор, электронный коммутатор, микрофонный усилитель и непосредственно микрофон, устанавливаемый в контролируемом помещении. Устройство включается в разрыв телефонной линии, соединенной с телефоном, номер которого известен («телефоном-наблюдателем»).

В таком устройстве после набора номера «телефона-наблюдателя» абонент транслирует в линию специальный кодированный тональный (звуковой) сигнал, вырабатываемый небольшим по размерам кодовым устройством («бипером»). В момент передачи сигнала «бипер» подносится к телефонной трубке. Контроллер телефонной линии закладки подавляет 1-2 сигнала вызова (что обеспечивает скрытность работы устройства) и подает кодированный сигнал на дешифратор, где осуществляется его сравнение с эталонным, заранее введенным в память закладки. При совпадении передаваемого и эталонного сигналов контроллер телефонной линии закладки шунтирует линию сопротивлением 600 Ом (при этом АТС переключает «телефон-наблюдатель» на прием-передачу информации), а электронный коммутатор подключает к линии микрофон, что обеспечивает звонящему абоненту возможность прослушивания разговоров, ведущихся в помещении, где он установлен. К одному устройству контроля может подключаться более пяти микрофонов.

Дальность передачи при использовании такой закладки практически неограниченна, так как вызов можно осуществлять по международным каналам телефонной связи. Выключение устройства происходит автоматически, когда подслушивающее лицо прерывает связь или при поднятии трубки на «телефоне-наблюдателе». Питание устройства осуществляется от телефонной линии, поэтому срок службы такой закладки практически не ограничен.

2.5 Основные характеристики и возможные способы внедрения акустических закладок

Способы внедрения закладных устройств во многом зависят от режима доступа в служебные помещения. Если доступ в помещение не контролируется, то закладные устройства могут быть установлены в интерьерах помещения, предметах повседневного обихода, радиоаппаратуре, розетках электросети и электрических приборах, технических средствах связи и их соединительных линиях и т.п. Наиболее вероятна установка закладок при профилактических работах на системах электропитания, связи и сигнализации или уборке помещений.

Если доступ в помещение контролируется, но там даже в течение короткого времени могут находиться посетители (чаще всего это кабинеты, приемные или комнаты отдыха руководящего состава), то закладки могут быть установлены или путем замены предметов, постоянно находящихся в данном помещении, на аналогичные, но оборудованные закладками, или непосредственно в интерьерах помещения, например под креслом, под столом, под подоконником, за занавеской или даже в смятой пачке сигарет или куске картона, брошенных в урну.

Закладки могут быть закамуфлированы в предметах и вещах, «случайно» забытых посетителем, например в авторучке, калькуляторе, кейсе, шляпе и т.д. Закладки могут быть установлены в сувенирах или предметах повседневного обихода, подаренных руководителю, в средствах иностранного производства, поставляемым по предварительным заказам предприятий и учреждений. Они также могут быть установлены в импортную и отечественную аппаратуру при ее гарантийном обслуживании или ремонте.

Если доступ в помещение невозможен, но не исключен доступ в смежные с ним помещения, то для перехвата информации могут использоваться закладки с датчиками контактного типа. При этом вибродатчики закладных устройств наиболее часто устанавливаются на наружных поверхностях зданий, на оконных проемах и рамах, в смежных (служебных и технических) помещениях за дверными проемами, ограждающими конструкциями, на перегородках, трубах систем отопления и водоснабжения, коробах воздуховодов вентиляционных и других систем.



3. Инфракрасное излучение

Несовершенство собственной природы, компенсируемое гибкостью интеллекта, непрерывно толкало человека к поиску. Желание летать как птица, плавать как рыба, или, скажем, видеть ночью подобно кошке, воплощались в действительность по мере достижения требуемых знаний и технологий. Научные изыскания часто подстегивались нуждами военной деятельности, а результаты определялись существующим технологическим уровнем.

Расширение диапазона зрения для визуализации недоступной для глаз информации является одной из наиболее трудных задач, так как требует серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Первые успешные результаты в этом направлении были получены в 30-х годах XX века. Особенную актуальность проблема наблюдения в условиях низкой освещенности приобрела в ходе Второй мировой войны.

Естественно, усилия, затраченные в этом направлении, привели к прогрессу в научных исследованиях, медицине, техники связи и других областях.

акустический перехват речевой информация

3.1 Физика инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны (= м) и коротковолновым радиоизлучением(= м). Открыто инфракрасное излучение было в 1800 г. английским ученым У. Гершелем. Спустя 123 года после открытия инфракрасного излучения советский физик А.А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны равной приблизительно 80 мкм, т.е. располагающиеся в инфракрасном диапазоне длин волн. Это доказало, что свет, инфракрасные лучи и радиоволны имеют одинаковую природу, все это лишь разновидности обычных электромагнитных волн.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры излучают энергию в инфракрасном спектре.

3.2 Источники инфракрасного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

28



3.3 Основные свойства ИК излучения

1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь, дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.

7. Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Характеристики	Основные понятия
Собственное тепловое излучение нагретых тел	Фундаментальное понятие - абсолютно черное тело. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающие на него излучения на любых длинах волн. Распределение интенсивности излучения черного тела (з/н Планка): , где -спектральная яркость излучения при температуре Т, -длина волны в мкм, С1 и С2 - постоянные коэффициенты: С1=1,19* Вт*мкм*см*ср, С2=1,44* мкм*град. Максимум длины волны(закон Вина): , где Т- абсолютная температура тела. Интегральная плотность излучения- закон Стефана - Больцмана:
Отраженное объектами ИК излучение	Максимум солнечного излучения, определяющий отраженную составляющую, соответствует длинам волн короче 0,75 мкм, а 98% всей энергии излучения Солнца приходится на участок спектра до 3 мкм. Часто эту длину волны считают граничной, разделяющей отраженную (солнечную) и собственную составляющие ИК излучения объектов. Следовательно, можно принять, что в ближней части ИК спектра (до 3 мкм) определяющей является отраженная составляющая и распределение лучистости по объектам зависит от распределения коэффициента отражения и облученности. Для дальней части ИК спектра определяющим является собственное излучение объектов, а распределение лучистости по их площади зависит от распределения коэффициентов излучения и температуры. В средневолновой части ИК спектра необходимо учитывать все четыре параметр.
Ослабление ИК излучения в атмосфере	В ИК-диапазоне длин волн имеется несколько окон прозрачности и зависимость пропускания атмосферы от длины волны имеет весьма сложный вид. Ослабление ИК излучения определяется полосами поглощения водяных паров и газовых составляющих, главным образом углекислого газа и озона, а также явлениями рассеивания излучения.
Физические особенности ИК излучения фонов	ИК излучение имеет две составляющие: собственное тепловое излучение и отраженное (рассеянное) излучение Солнца и других внешних источников. В диапазоне длин волн короче 3 мкм доминирует отраженное и рассеянное солнечное излучение. В этом диапазоне длин волн, как правило, можно пренебречь собственным тепловым излучением фонов. Наоборот, в диапазоне длин волн более 4 мкм преобладает собственное тепловое излучение фонов и можно пренебречь отраженным (рассеянным) солнечным излучением. Диапазон длин волн 3-4 мкм является как бы переходным. В этом диапазоне наблюдается ярко выраженный минимум яркости фоновых образований.

3.4 Воздействие на человека

С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения.

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние. Приготовление пищи с помощью инфракрасных волн делает пищу особенно вкусной, сохраняет витамины и минералы, при этом не имеет ничего общего с микроволновыми печами.

Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, и из нее уходит не связанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови.

3.5 Приборы ночного видения

3.5.1 «Стакан Холста»

Создан Холстом с соавторами в исследовательском центре фирмы "Филипс", Голландия.

Этот ЭОП представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоские донышки которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к этим слоям высоковольтное напряжение, создавало электростатическое поле, обеспечивающее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором. В качестве фоточувствительного слоя в "стакане Холста" использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод, имевший довольно низкую чувствительность, хотя и работоспособный в диапазоне до 1,1 мкм. К тому же, этот фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40 °С.

3.5.2 Трех- и двухэлектродная системы

Достижения электронной оптики позволили заменить прямой перенос изображения фокусировкой электростатическим полем. Наибольшим недостатком ЭОП с электростатическим переносом изображения является резкий спад разрешающей способности от центра поля зрения к краям из-за несовпадения криволинейного электронного изображения с плоским фотокатодом и экраном. Для решения этой проблемы их стали делать сферическими, что существенно усложнило конструкцию объективов, рассчитываемых обычно на плоские поверхности.

3.5.3 Многокаскадные ЭОП

Создан в СССР в 60-е М.М. Бутсловым.

На базе волоконно-оптических пластин (ВОП), представляющих собой пакет из множества светодиодов, были разработаны плосковогнутые линзы, которые и стали устанавливать взамен входного и выходного окон. Оптическое изображение, спроецированное на плоскую поверхность ВОП, без искажений передается на вогнутую сторону, что и обеспечивает сопряжение плоских поверхностей фотокатода и экрана с криволинейным электронным полем. В результате применения ВОП разрешающая способность стала по всему полю зрения такой же, как и в центре.

3.5.4 Вторично-эмиссионный усилитель

Создан в 70-е годы фирмами США.

Этот элемент представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром около 10 мкм и толщиной не более 1 мм. Число каналов равно числу элементов изображения и имеет порядок 10⁶. Обе поверхности микроканальной пластины (МКП) полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления NxlO⁴ раз. Для получения каналов МКП используется разнородное по химическому составу оптическое волокно.

3.5.5 Псевдобинокуляр

Создан фирмой "Praxitronic" (ФРГ) в 70-е годы.

Были разработаны ЭОП с МКП бипланарной конструкции, то есть без электростатической линзы, своего рода технологический возврат к прямому, как и в "стакане Холста", переносу изображения. Полученные миниатюрные ЭОП позволили разработать очки ночного видения (ОНВ) псевдобинокулярной системы, где изображение с одного ЭОП разводится на два окуляра с помощью светоделительной призмы. Оборот изображения здесь осуществляется в дополнительных мини-объективах.

3.5.6 ЭОП П⁺ и SUPER II⁺

Производство данных моделей началось в 70-е годы и продолжается по нынешнее.

Длительная научная разработка и сложная технология изготовления, определяющие высокую стоимость ЭОП третьего поколения, компенсируется предельно высокой чувствительностью фотокатода. Интегральная чувствительность некоторых образцов достигает 2000 мА/Вт, квантовый выход (отношение числа эмитированных электронов к числу падающих на фотокатод квантов с длиной волны в области максимальной чувствительности) превышает 30%! Ресурс таких ЭОП составляет около 3 000 часов, стоимость от 600 до 900$, в зависимости от конструкции.

3.6 Устройство тепловизоров

Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы - тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько фрагментов :

Длина волн (мкм)	Название
0.76-1.5	Ближнее инфракрасное излучение
1.5-5.5	Коротковолновое инфракрасное излучение
5.6-25	Длинноволновое инфракрасное излучение
25-100	Дальнее инфракрасное излучение

Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны для обнаружения военных и промышленных объектов.

Общий принцип устройства всех тепловизоров следующий:

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство - “холодильник”. Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур, но носить с собой сосуды дюара очень неудобно. Другой вид - посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).

Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.

3.7 Области применения методов тепловидения

Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельных участков поверхности) в несколько сотых градуса. Это значит, что если вы при входе в свою парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловой отпечаток будет виден на этой ручке целых полчаса. Даже дома при выключенном свете вы будете светить как маяк даже через занавеску. В метро можно спокойно отличить людей, которые только что вошли. А наличие насморка у человека и занимался ли он чем-нибудь интересным до этого можно наблюдать на расстоянии в несколько сотен метров. О распознавании недавно выключенной машины или о том, кто и когда сидел на данном кресле даже нечего и говорить.

Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с не очень высокой точностью, вызванной промежуточными конструкциями.

Таким образом, тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло- и массообмена, атмосферных явлений становиться на порядки удобнее, проще, информативнее.

Широкое применение тепловидение нашло в медицине.

3.8 Некоторые применения тепловизионных устройств в промышленности

Энергетика:

-состояние дымовых труб и газоходов

-состояние статоров генераторов

-проверка маслонаполненного оборудования

-теплоизоляция турбин, паро- и трубопроводов

-обнаружение мест присосов холодного воздуха

-контроль состояния теплотрасс

Нефтегазовый комплекс:

-проверка состояния электрооборудования

-контроль технологических линий

-поиск энергопотерь

-обнаружение утечек из газопроводов

-предотвращение пожаров

Энергосбережение:

-диагностика ограждающих конструкций

-обнаружение теплопотерь во внутренних помещениях и снаружи зданий и сооружений

-определение теплоизоляционных свойств материалов

Химическая промышленность:

-проверка герметичности и изоляции емкостей для хранения различных жидкостей и газов

Машиностроение:

-контроль подшипников, зубчатых передач, валов, муфт и т. д.

-обнаружение несосности оборудования

-контроль температурных режимов сварки

-термоэластический анализ напряжений

Микроэлектроника:

-контроль качества сборки печатных плат

Автомобильная промышленность:

-проектирование климатических систем автомобиля

-контроль за ультразвуковой сваркой амортизаторов

-разработка и проверка дисковых тормозов

-контроль теплообменных процессов в радиаторах, двигателях и выхлопных системах

Размещено на Allbest.ru