dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Сегодня – небольшое продолжение про помехопостановку. В прошлой заметке на эту тему помехопостановка рассматривалась как средство противодействия работе РЛС. Но помехи нужны и важны не только при работе с радиосигналами.

Скажем, существуют системы, подслушивающие секретные человеческие разговоры. Некоторая часть этих систем полагается на утечки по естественному для речи акустическому каналу. Например, во время разговора, в комнате вибрируют окна и стены. Эти – казалось бы, минимальные, – вибрации можно фиксировать разными способами. Если речь идёт про окна, то со стекла нужную информацию вполне реально снимать лазерным “виброметром”, который при этом может находится достаточно далеко от прослушиваемого помещения.

Конечно, секретную переговорную комнату возможно тщательно экранировать от утечек (для этого есть специальная хитрая наука). Однако на практике секретные переговоры могут проходить и в неподготовленных заранее помещениях. Как защитить такие помещения? Конечно, с помощью помех.

Например, на стёкла и стены оперативно устанавливаются (наклеиваются) специальные виброгенераторы, которые создают помехи, маскирующие акустический сигнал от разговора:

При этом, задающее характеристики помех устройство может генерировать белый шум, а может и добавлять “речеподобные помехи” (это сигналы, похожие на фонемы речи).

В продолжение темы “Стелс” и малой заметности истребителей: известно, что одним из основных устройств на борту истребителя является РЛС, потому что слепой самолёт, по нынешним временам, бесполезен. РЛС на борту даже может быть несколько, и каждая – с антенной. Традиционно самая большая антенна РЛС располагается под носовым обтекателем истребителя.

И если сам истребитель малозаметен для радаров, из-за правильно подобранной формы агрегатов и верно спроектированных материалов, то как быть с этой антенной? Ведь при облучении с передней полусферы антенна будет очень хорошо “отсвечивать”, то есть возвращать отражённый сигнал радарам противника. Казалось бы, это неустранимая проблема, так как сама “природа” антенн для приёма радиосигналов мешает снижению заметности.

Тем не менее, способы решения есть. Например, если в РЛС используется фазированная антенная решётка – ФАР (лучше активная ФАР), то антенну можно зафиксировать под острым углом к продольной оси самолёта. Это снизит уровень отражённого сигнала по крайней мере с самых выгодных для противника ракурсов. Если взглянуть на некоторые современные РЛС с АФАР для истребителей, то именно такое положение антенны и наблюдается:

(APG-81, Northrop Grumman)

Что ещё можно сделать? Вообще говоря, хорошо бы закрыть антенну колпаком нужной формы, который будет отражать падающее излучение преимущественно в сторону от источника. Правда, под таким колпаком антенна хоть и снизит свою заметность, но и принимать нужные для работы РЛС сигналы перестанет.

Выход есть: потребуется колпак (или экран) из хитрого материала, пропускающего только электромагнитные волны заданного диапазона и отражающего другие. То есть проходить сквозь колпак-экран будут только те самые сигналы, которые необходимы для работы РЛС.

Дальнейшим развитием этого направления является такой носовой обтекатель, параметры радиопрозрачности которого быстро изменяются по команде от систем самолёта, синхронно с работой РЛС. В принципе, нужные для реализации этой идеи материалы есть в лабораториях. Летают ли они уже – вот в чём вопрос.

Продолжение – в следующий раз. (А пока на пару дней в блоге dxdt.ru – перерыв.)

The Register пишет о взломе чип-карт Mifare Classic (это бесконтактные чип-карты, используемые очень широко по всему миру для разных задач авторизации).

Интересно, что для выяснения логической структуры “закрытой” микросхемы Mifare, криптологи просто сделали снимки слоёв чипа под микроскопом. Из снимков восстановили “принципиальную схему”, после чего стала понятна логика работы. А уже анализ логики позволил найти серьёзные уязвимости в используемом производителем микросхем криптографическом алгоритме (конечно, это был алгоритм собственной разработки авторов Mifare Classic). С использованием уязвимости, секретный ключ чип-карты вычисляется за несколько минут.

Кстати, восстановление логики работы “секретных” чипов с помощью микроскопа – это весьма старая методика. Например, с помощью электронных микроскопов читали данные в памяти самых первых смарт-карт, ещё, так сказать, на заре их развития. Правда, тогда электронные микроскопы и системы автоматизированной обработки изображений были не столь доступны, как сейчас. При нынешней же дешевизне техники полагаться на “закрытость исходников” разработчикам чипов вообще не стоит.

(Между прочим, в Московском метрополитене тоже используется бесконтактный билет с чипом Mifare, правда, версии Ultralight – это ещё более простая схема, вообще “без криптографии”. Понятно, что чем схема проще, тем легче её изучить с “микроскопом в руках”.)

Не так уж и давно я писал про форму антенн в РЛС с фазированной антенной решёткой. Резюме той записки такое: использование антенной решётки из многих элементов, снабжённых “управлением фазой”, позволяет создавать антенны самой разной формы: плоские, выпуклые или “ломанные”. Развитием темы является одно из важнейших достижений современной радиолокации (в том числе, используемое в современных бортовых РЛС) – антенны с синтезированной апертурой.

Проще всего понять, что такое синтезированная апертура, можно следующим образом: во-первых, нужно представить фазированную антенную решётку, диаграмма направленности которой формируется вращением фазы принимаемого (передаваемого) излучения в каждом элементе антенны; во-вторых, нужно обратить внимание на то, что, так сказать, с математической точки зрения вовсе и не обязательно, чтобы все элементы антенны были различными элементами.

На первый взгляд, это выглядит странно. Тем не менее, создать (теоретически – произвольную) нужную апертуру антенны можно, перемещая один единственный элемент по тем точкам пространства, в которых должна быть представлена “виртуальная” решётка. Апертура, созданная перемещением приёмо-передающего элемента, и есть та самая синтезированная апертура.

Можно сказать, что с математической стороны задача синтезирования сводится к определению характеристик некоторых электромагнитных полей по результатам измерений, сделанных в нескольких точках пространства в разное время. Задача местами сложная, но вполне разрешимая (особенно когда измеряется отражённое излучение от источника, характеристики которого соответствуют некоторым требованиям, – это как раз случай с РЛС).

На практике применение синтезирования апертуры выглядит, например, так: радиолокатор бокового обзора, установленный на самолёте, записывает принимаемое с заданного направления отражённое излучение на протяжении некоторого участка траектории самолёта (“интервал синтезирования”) – после соответствующей обработки записанной “сигнальной информации” можно получить данные по наблюдаемым объектам с разрешающей способностью, близкой к разрешающей способности физической антенны с размером апертуры, совпадающим с дистанцией, которую преодолел самолёт за время синтезирования.

Иными словами, сильно утрируя, можно сказать: если самолёт за время синтезирования апертуры пролетел десять метров, то и полученная “картинка” будет иметь разрешающую способность, аналогичную десятиметровой “зеркальной антенне” (а это уже что-то вроде небольшого радиотелескопа). Понятно, что десятиметровую антенну можно разместить далеко не на всяком самолёте.

Конечно, на практике синтезирование апертуры сталкивается с целым рядом проблем. Например, требуется очень точная информация о положении приёмника (передатчика) в пространстве в каждой “точке отсчёта” (отсюда повышенные требования к навигационным системам и стабильности полёта). Понятно, что лучше всего антенна с синтезированной апертурой подходит для наблюдения за “статичными сценами” (дело в том, что быстро движущийся объект наблюдения за время интервала синтезирования существенно изменит своё положение в пространстве, что приведет ко всяким “хитрым эффектам” в итоговых данных). Поэтому отличные результаты у РЛС с синтезированной апертурой традиционно получаются при картографировании поверхности.

Интересно, что синтезированная апертура сама собой напрашивается для использования в РЛС, размещённых на околоземных спутниках, ведь их орбита весьма стабильна и хорошо просчитывается.

В бортовых РЛС с АФАР для современных истребителей “синтезированием апертур” могут заниматься несколько элементов антенны, выделенных для этой задачи управляющей ЭВМ. Типичная задача – “фоновое” картографирование поверхности с обнаружением наземных движущихся целей.

Оказывается, некий житель Франции – Claude Paillard – в качестве хобби сам изготавливал радиолампы. С целью проверки “старых технологий”. Вполне работоспособные триоды он изготовил из исходных материалов полностью на “домашнем оборудовании”. Вот уж настоящее хобби – ничего не скажешь.

На соответствующем сайте (французский язык) есть подробные материалы о том, как и что. С картинками, понятно. И ещё там внизу страницы – познавательное видео хорошего качества.

(На ссылку любезно навёл – Apazhe.)

Nature публикует статью, рассказывающую о (пока гипотетической) ткани на основе нановолокон. Ткань будет производить электроэнергию в результате механических деформаций. То есть, если из такой ткани шить штаны, то при ходьбе сии штаны начнут вырабатывать вольты электроэнергии. Можно также шить и куртки с пиджаками.

Правда, пока обещают максимум 80 милливатт с квадратного метра. Это микроскопически мало в практическом смысле. А вообще, проблема с компактными “носимыми” и достаточно мощными (хотя бы в 5-7 ватт) источниками электроэнергии – одна из ключевых в современных технологиях.

Между прочим, параллельно с продвинутыми военными роботами на вооружение поступят и животные-киборги. Это вполне вероятно, хотя могут быть протесты. Опыты по интеграции животных с механизмами не то что не прекращаются много лет, а существенно набирают обороты в последнее время.

При этом экспериментальные киборго-строительные работы движутся сразу в двух важных направлениях: первое – механизмы, управляемые “биосигналами” от нервной системы и органов животных (например, манипуляторы, управляемые сигналами из мозга крысы); второе – животные, управляемые электрическими сигналами от внешних кибернетических устройств (та же крыса, “принимающая” радиокоманды “из чипа” прямо в свой небольшой мозг).

Интересно, что всякие новые способы “стимуляции” организмов тоже хорошо отработаны именно на животных: скажем, их умеют освобождать от необходимости спать на длительное время. И известно, что лабораторных животных некоторых типов (например, собак, крыс, каких-нибудь, скажем, овец) научились лечить так эффективно, что “людская медицина” может только позавидовать. (Это потому, что на лабораторных животных много лет проверяют разнообразнейшие методы лечения всего и вся, без каких-то там ограничений.)

Таким образом, собрать животных-киборгов, возможно, будет дешевле, чем конструировать аналогичных роботов. Например, собаки уже широко используются, поэтому вместо создания искусственного носа, как-то приближающегося к способностям естественного собачьего, проще сделать из носителя носа киборга, который будет заниматься круглосуточным разминированием, используя команды, передаваемые по радио. Днем такая собака вместо еды будет заряжаться от солнечных батарей (очень эффективно, если дело происходит в пустыне).

Крысы-киборги могут проникать на базы противника и вести там разведку. А мотыльков, интегрированных с миниатюрными беспилотниками, уже конструируют. Что ждать от овцы-киборга – даже и подумать страшно.

Вот интересное исследование: в Purdue University предлагают использовать мобильные телефоны обывателей для создания распределённой сети, обнаруживающей радиоактивные “объекты”.

Суть такая: в конструкцию мобильного телефона добавляется очень дешёвый (но достаточно эффективный) детектор радиоактивного излучения. Информация, собираемая детектором каждого телефона, передаётся через сеть оператора связи в центр анализа данных, возможно, в реальном времени. Понятно, что туда же передаётся и информация о местонахождении данного телефона, тоже в реальном времени. (Информация о местоположении телефона есть у операторов сотовой связи, без всякого GPS – координаты легко и достаточно точно вычисляют на основе данных, получаемых базовыми станциями.)

На основе мониторинга радиоактивности сеть может обнаруживать и отслеживать перемещение радиоактивных “объектов” по городу: ведь обыватель с мобильным телефоном – очень распространённое явление в современном городе (если это только развитая страна, конечно).

Понятно, что от владельца сотового телефона не требуется никаких дополнительных усилий. Достаточно носить включенный телефон с собой. И также понятно, что подобную сеть можно использовать и для других, не менее интересных, целей.

(via)

На “Математических этюдах” – документальный фильм про вычислительную технику, которую использовали в МГУ в 1950-х годах.

Думаю, что правильно будет развить тему с АФАР (Активной Фазированной Антенной Решёткой – более подробно о том, что такое АФАР, я писал в отдельной заметке ранее).

А добавить нужно вот что: каких-то сомнений в том, что перспективные бортовые РЛС истребителей будут только с АФАР – нет.

АФАР обладает во много раз большим потенциалом по повышению чувствительности. Дело в том, что пассивная ФАР, использующая один приёмо-передатчик, вынуждена мириться с очень существенными потерями энергии в волноводах и фазовращателях. В АФАР непосредственно по антенне распределены отдельные приёмо-передатчики – и потери энергии минимальны.

(На фото: РЛС c АФАР APG-81, Northrop Grumman.)

АФАР можно сделать очень надёжной, так как выход из строя нескольких приёмо-передатчиков не ведёт к потере работоспособности радара: приёмо-передающих модулей в антенне много сотен и вполне можно выполнять задачи с десятком неработающих. В случае с пассивной ФАР выход из строя единственного приёмо-передатчика (а этот приёмо-передатчик там очень мощный и, скорее всего, поэтому капризный) приведёт к тому, что самолёт ослепнет.

Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только действительно параллельно обслуживать несколько целей, но и, скажем, параллельно с обзором пространства ставить помехи радарам противника. Достигается это тем, что независимые приёмо-передатчики управляющим компьютером РЛС делятся на группы, и каждая группа получает свой режим работы. При этом параллелизм достигается и по приёму, и по передаче. (Правда, там возникают проблемы по взаимному влиянию модулей, но эти проблемы решаемы).

Думаю, очевидно, что РЛС с пассивной ФАР, имеющая только один приёмо-передатчик, обрабатывающий суммарный сигнал со всей антенны, в принципе не может обеспечить настоящий параллелизм. (Там только можно пытаться быстро переключать режимы – а это совсем другая история, в точности совпадающая с “параллельной” многозадачностью на однопроцессорной ЭВМ.)

Так как вычислительная система радара с АФАР получает более подробную информацию о характеристиках принятого сигнала (много приёмников), то только с помощью цифровой обработки можно существенно улучшить характеристики антенны.

Прежде всего, возрастает разрешающая способность. Но есть и другие важные моменты: например, существуют алгоритмы, которые позволяют вычислительными методами уменьшить чувствительность системы в целом по боковым лепесткам (это очень важная практическая задача). Другие алгоритмы позволяют “затенить” источник помех.

Изобретательное управление лучами АФАР приводит к проблемам у помехопостановщиков противника, потому что они, скажем, не могут определить, куда в данный момент “смотрит” РЛС.

Для пассивной ФАР, а тем более для других устаревших типов антенн, решение этих задач не под силу.

Кстати, хорошая авиационная РЛС с АФАР может параллельно сопровождению нескольких целей картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения. На картинке ниже – результат картографирования территории аэропорта, полученный, как пишет Northrop Grumman, с помощью РЛС APG-81:

Как пишут в The Register, в Польше 14-летний подросток с помощью самодельного электронного устройства (типа переделанного пульта дистанционного управления от телевизора) управлял движением городских трамваев на собственный вкус. В результате вагоны сходили с рельсов, больше десятка человек пострадало.

Технических подробностей в статье нет, но, судя по всему, этот одарённый хакер каким-то образом “раскодировал” управляющие сигналы стрелок. Вероятно, транспортная система сконструирована столь “хорошо”, что управляющие сигналы штатно передаются от трамвая к стрелке с помощью ИК-излучения, без всякой криптографической защиты (просто и дёшево). Понятно, что зная характеристики сигналов (частоты, модуляцию, кодирование), подросток успешно собрал свой “пульт управления”. Раскрыть же сигналы, вероятно, можно было просто записав их с помощью своего приёмника.

Кстати, подобные системы, вроде бы, используются в Штатах, для управления светофорами. То есть, спецтранспорт, оборудованный нужным ИК-передатчиком, может устроить себе “зеленую улицу” по направлению движения.