Модели и методы оценки защищенности информации об объектах наблюдения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТАХ НАБЛЮДЕНИЯ

Специальность: 05.13.19 - Методы и системы защиты информации, информационная безопасность

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ИВАНКИН Евгений Филиппович

Воронеж 2009

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Понькин Виктор Архипович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пастернак Юрий Григорьевич;

доктор технических наук, профессор Швед Виктор Георгиевич;

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Радзиевский Вячеслав Григорьевич

Ведущая организация: Войсковая часть 25714 (г. Курск)

Защита состоится «30» апреля 2009г. в 14 00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.08 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « » марта 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Батищев Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Современный этап развития общества характеризуется резким усилением роли и значения информационной безопасности РФ как одной из составляющих национальной безопасности РФ, оказывающей влияние на защищенность национальных интересов РФ в различных сферах жизнедеятельности общества и государства. В последние годы с принятием Доктрины информационной безопасности РФ и ряда законов: “О безопасности”, “О государственной тайне”, “Об информации, информационных технологиях и о защите информации”, “О коммерческой тайне” и др. идет интенсивный процесс обеспечения информационной безопасности в различных областях жизни и деятельности человека.

Роль научно-технического аспекта в обеспечении информационной безопасности следует из концептуальных положений, изложенных в Доктрине, и исключительного места дистанционных методов и средств получения информации об объектах наблюдения. Это обусловлено тем, что среди всех именно дистанционные методы получения информации об объектах являются наиболее информативными. Ярким примером тому является зрение, доставляющее человеку более 90% информации об окружающем мире.

Вторая половина XX века характеризуется бурным развитием технических средств и методов получения, хранения, передачи, обработки и анализа информации об объектах. Созданы многократно усиливающие возможности зрения практически по всем направлениям (по рабочему диапазону длин волн, по контрастной и спектральной чувствительности, детальному запоминанию изображений, восприятию изображений быстропротекающих процессов и т.д.) системы наблюдения (СН) объектов в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радио - диапазонах длин волн. Постоянно растущие в этот период возможности вычислительной техники способствовали разработке и внедрению достаточно сложных и эффективных алгоритмов обработки добываемой информации.

Качественный рост информационных возможностей СН в конце прошлого века в число актуальных выдвинул задачи оценки угроз конфиденциальности информации об объектах и разработки путей и методов их устранения. В настоящее время благодаря основополагающим работам отечественных ученых в целом разработана методология обеспечения защиты информации об объектах различных типов и назначения техническими, организационными и правовыми методами и средствами. Применительно к объектам наблюдения она представляет собой логически увязанную иерархическую систему методов решения задач исследования и построения моделей каналов технической утечки информации, оценки защищенности информации, обеспечения разработки организационных мероприятий и технических средств защиты информации, оценки эффективности обеспечения защиты информации и др.

Однако, в условиях постоянного повышения информационных возможностей СН и растущих потребностей наращивания арсенала средств и методов защиты информации методология обеспечения защиты информации об объектах принципиально не может быть завершенной в статическом виде, а должна непрерывно развиваться, предвосхищая направления и пути развития систем и методов дистанционного наблюдения, создавая надежную теоретическую базу эффективного использования существующих и разработки новых методов и средств защиты информации.

Одним из важных направлений повышения информативности СН в настоящее время является применение в радио- и оптическом диапазонах длин волн так называемых информационных технологий дистанционного наблюдения, представляющих собой совокупность методов, приемов и алгоритмов получения и обработки результатов дистанционного наблюдения. Однако особенности их реализации и достигаемые результаты в радио- и оптическом диапазонах длин волн оказываются совершенно различными, что определяющим образом оказывает влияние на содержание задач, решаемых в диссертации.

Так, анализ успехов повышения информативности систем радиолокационного наблюдения показывает, что наиболее существенные из них достигнуты за счет многомерного (многоканального, многочастотного и многократного) зондирования объектов наблюдения и совместной апостериорной обработки результатов измерений. Например, использование многоканального пространственного приема позволило реализовать весьма эффективные методы и алгоритмы пространственной селекции сигналов на фоне помех внешних источников в РЛС с фазированными антенными решетками. Во всех развитых странах мира широким фронтом ведутся работы по созданию и внедрению многопозиционных радиолокационных систем, потенциальные информационные возможности которых по точности измерений, разрешающей способности, качеству распознавания целей, помехозащищенности и ряду других характеристик существенно превосходят возможности однопозиционных РЛС. К этому направлению относятся также широко известные, ставшие уже традиционными, методы прямого и обратного синтезирования апертуры антенн за счет относительного движения носителя РЛС и объекта наблюдения и интенсивно разрабатываемые в последнее время методы получения радиоизображений объектов, находящихся в средах с потерями, с использованием дискретно-частотных широкополосных и сверхширокополосных сигналов.

Состояние в области развития теории синтеза и анализа информационных возможностей систем радиолокационного наблюдения определяется фундаментальными работами отечественных и зарубежных ученых, к числу которых относятся: В.Я. Аверьянов, Л.Е. Астанин, П.А. Бакут, Л.Д. Бахрах, Н.И. Буренин, Г. Ван Трис, Н.Е. Варганов, Е.Н. Воронин, А.Ю. Гринев, В.А. Зверев, В.В. Караваев, Д. Катрона, Y. Кок, Г.С. Кондратенков, А.А. Коростылев, В.Ф. Кравченко, И.Я. Кремер, Е.И. Куликов, А.А. Курикша, А.П. Курочкин, А.П. Лукошкин, В.И. Мандросов, В.А. Неганов, В.Г. Радзиевский, В.Г. Репин, А.П. Реутов, В.В. Сазонов, Г.П. Тартаковский, В.И. Тихонов, А.П. Трифонов, И.Н. Троицкий, С.Е. Фалькович, В.С. Черняк, Я.Д. Ширман и др.

Полученные этими учеными результаты позволяют решать широкий круг задач оценки защищенности информации об объектах наблюдения различных типов и назначения. Однако в известных автору работах теоретические исследования потенциальных информационных возможностей систем радиолокационного наблюдения выполнены без учета возможности совместной апостериорной обработки принятых и излученных сигналов, что приводит к недооценке угроз технической утечки информации в условиях применения современных информационных технологий и вызывает необходимость дальнейшего совершенствования методов решения задач защиты информации об объектах наблюдения.

Как и по другим направлениям развития методологии обеспечения информационной безопасности объектов это достигается путем исследования и построения более совершенных моделей канала технической утечки информации, соответствующих современным условиям, и разработки на их основе моделей и методов обеспечения защиты информации. При этом для создания надежной теоретической базы эффективного использования существующих и разработки новых методов и средств защиты информации к моделям канала, наряду с традиционными требованиями такими, как достоверность, простота, наглядность, конструктивность и т.д., могут быть предъявлены дополнительные, к которым относятся следующие.

Во-первых, поскольку средства и методы технической защиты информации по сути усиливают те или иные мешающие эффекты, то для обеспечения разработки и их создания модели должны учитывать влияние всех доминирующих факторов, оказывающих воздействие на процесс добывания информации, т.е. принципы построения СН, алгоритмы получения и обработки результатов измерений, технические характеристики приемной и передающей антенн, свойства и характеристики среды распространения сигналов (в том числе поглощающей), наличие всегда присутствующих на практике шумов и т.д.

Во-вторых, модели радиолокационного канала должны включать в себя содержательные модели объекта наблюдения, раскрывающие повышенные информационные возможности перспективных СН.

Исходя из опыта ранее выполненных работ, для обеспечения разработки и создания эффективных технических средств и методов защиты информации об объектах радиолокационного наблюдения определяющее значение имеет также развитие измерительно-испытательной базы. Поскольку в существующей измерительно-испытательной базе не учитываются возможности качественного роста информационных возможностей СН за счет применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения, в настоящее время весьма актуальной задачей является разработка технических путей ее совершенствования.

Совершенно иная ситуация сложилась в области обеспечения информационной безопасности объектов наблюдения в оптическом диапазоне длин волн. Здесь применение развивающих информационных технологий дистанционного наблюдения приводит к вполне предсказуемому повышению информационных возможностей СН, и разработанные в конце прошлого века методы их оценки в целом удовлетворяют потребностям практики. Основная проблема обеспечения защиты информации об объектах наблюдения в оптическом диапазоне длин волн состоит в низкой эффективности существующих средств технической защиты информации. В интересах ее решения разработаны перспективные направления и технические пути обеспечения защиты информации об объектах наблюдения, основанные на применении управляемых и адаптивных “хамелеоноподобных” оптических покрытий. Однако их практическая реализация ожидается в отдаленном будущем. В этих условиях весьма актуальной является задача разработки средств защиты информации, основанных на применении существующих покрытий с постоянными оптическими свойствами.

Применение оптических покрытий приводит к нарушению естественного пространственного распределения контраста по поверхности объекта, что затрудняет выделение информативных признаков обнаружения, распознавания, оценки состояния объекта и т.д. Задачи обеспечения защиты информации об объектах наблюдения при этом являются обратными и сводятся к отысканию оптимального пространственного распределения контраста по поверхности объекта в соответствии с выбранными критериями и показателями. Поскольку все методы решения обратных задач основаны на построении моделей процессов, соответствующих прямой задаче, а в простейшем случае к выбору наиболее предпочтительного варианта из предварительно составленных, то модели и методы оценки защищенности информации об объектах наблюдения могут быть использованы для решения задач эффективного применения технических средств защиты информации.

Одной из таких является задача обоснования путей эффективного применения объектов, обладающих дальнепороговым эффектом обнаружения, обеспечивающая разработку предпочтительной альтернативы существующим мерам, основанным на уменьшении размеров опознавательных знаков и “приглушения” яркости трафаретных надписей.

Таким образом, существующий уровень развития методологии оценки защищенности информации об объектах не отвечает возросшим возможностям СН в условиях применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения, что приводит к недооценке реальной угрозы утечки информации по каналу радиолокационного наблюдения и сдерживает процесс наращивания арсенала средств защиты информации об объектах наблюдения - в оптическом.

Изложенное выше определяет актуальность крупной научной проблемы создания моделей и методов оценки защищенности информации об объектах в условиях применения современных информационных технологий и систем дистанционного наблюдения, имеющей важное значение для обеспечения информационной безопасности РФ.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет” «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, обработки и защиты информации».

Объект и предмет исследования. Объектом диссертационных исследований является информационная безопасность объектов наблюдения. Предметом исследования является методология оценки защищенности информации об объектах наблюдения.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка моделей и методов оценки защищенности информации об объектах в условиях применения современных информационных технологий и систем дистанционного наблюдения.

Для достижения цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Выявление отличительных особенностей и построение модели радиолокационного канала утечки информации об объектах в условиях применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения.

2. Разработка методов, моделей и алгоритмов оценки защищенности информации об объектах наблюдения при применении систем, использующих современные информационные технологии дистанционного наблюдения. защита информация дистанционный наблюдение

3. Разработка методов и моделей оценки защищенности информации об объектах наблюдения, расположенных в средах с потерями.

4. Определение направлений и путей совершенствования измерительной базы для обеспечения разработки и создания эффективных методов и средств технической защиты информации об объектах радиолокационного наблюдения.

5. Разработка методов и моделей обеспечения защиты информации об объектах наблюдения в оптическом диапазоне методом дальнепорогового окрашивания.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы проведения системных исследований, методы квалиметрии, универсальные методы проектирования, методы математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории оптимального приема и пространственно-временной обработки сигналов, аппарат оптических передаточных функций, методы теории распространения электромагнитных волн в средах с потерями, современные численные методы и методы моделирования.

Основные научные результаты, полученные автором:

1. Общая модель канала утечки радиолокационной информации об объектах наблюдения, учитывающая возможность совместной апостериорной обработки излученных и принятых пространственно-временных сигналов в СН, использующих современные информационные технологии дистанционного наблюдения, и отличительные особенности канала.

2. Математические модели пространственно-временных сигналов в системах с апостериорной обработкой результатов измерений (САОРИ) с различными характеристиками передающей и приемной антенн при наблюдении точечных объектов и пространственно-протяженных объектов с электродинамически связанными элементами.

3. Алгоритмы и закономерности оптимальной совместной апостериорной обработки излученных и принятых пространственно-временных сигналов в радиолокационных системах наблюдения с разряженными приемной и (или) передающей антеннами.

4. Модели, методы и результаты оценки защищенности информации об объектах, находящихся в однородных средах с потерями, при их наблюдении системами с апостериорной обработкой результатов измерений (САОРИ).

5. Способ наблюдения заглубленных объектов в средах с потерями радиолокационными системами типа САОРИ.

6. Принципы неопределенности измерения локальных радиолокационных характеристик объектов, направления и пути совершенствования измерительной базы.

7. Высокоэффективный матричный метод измерения радиолокационных характеристик объектов наблюдения, основанный на использовании функциональных свойств и информационных возможностей систем типа САОРИ.

8. Модели оценки защищенности и принципы защиты информации об объектах наблюдения при применении дальнепорогового окрашивания в оптическом диапазоне длин волн.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием современных методов прикладного анализа, совпадением полученных в диссертации новых результатов в частных и предельных случаях с известными ранее, соответствием установленных новых свойств и выявленных закономерностей экспериментально установленным фактам и их ясной физической трактовкой на базе фундаментальных принципов суперпозиции и взаимности.

Научная новизна результатов диссертационной работы

Новизна диссертационной работы в целом заключается в разработке моделей и методов оценки защищенности информации об объектах наблюдения, учитывающих состояние и перспективы развития современных информационных технологий дистанционного радиолокационного наблюдения, установлении новых функциональных свойств и информационных возможностей СН за счет совместной апостериорной обработки принятых и излученных сигналов, а также в разработке метода дальнепорогового окрашивания для защиты информации об объектах наблюдения в оптическом диапазоне длин волн.

Новизна полученных при этом отдельных научных результатов состоит в следующем:

1. Общая модель канала утечки радиолокационной информации об объектах наблюдения построена на основе разработанных в диссертации моделей сигнала, СН и объекта. Модель отличается от известных тем, что она описывает процесс добывания радиолокационной информации об объектах СН типа САОРИ с учетом алгоритмов получения результатов первичных измерений и их совместной апостериорной обработки, характеристик приемной и передающей антенн, свойств и характеристик среды распространения сигналов, наличия шумов и других доминирующих факторов. С использованием общей модели канала утечки радиолокационной информации установлено, что в СН типа САОРИ обеспечивается апостериори управление полем облучения объектов наблюдения, выявление и оценка параметров электродинамической связи объектов и их элементов и возможность определения местоположения и глубины залегания объектов, находящихся в среде с потерями при неизвестных параметрах среды (коэффициента затухания и скорости распространения волн).

2. Разработанная система математических моделей включает:

- модель результатов первичных измерений, получаемых идеализированной системой с заполненными апертурами реальных и (или) синтезированных передающей и приемной антенн, учитывающую возможность регистрации в произвольной последовательности полной совокупности сигналов, излученных и принятых на заданной сетке дискретных частот всеми элементами во всех возможных сочетаниях, представляющую собой непрерывную многомерную функцию пространственных координат места положения элементов передающей и приемной антенн и частоты, которая сохраняет естественную упорядоченность оси частот и координатного пространства;

- модель результатов первичных измерений, получаемых реальными системами с незаполненными апертурами передающей и (или) приемной антенн, в виде обобщенной функции выборки, описывающей операцию прореживания результатов первичных измерений, получаемых идеализированной системой;

- модель сигнала объекта наблюдения, учитывающая электродинамическую связь элементов в виде суммы двух функций, описывающих однократно отраженные и двукратно переотраженные элементами объекта сигналы. Разработанные модели путем задания вида функции выборки учитывают алгоритмы независимого переключения или сканирования элементов приемной и передающей антенн, а также переключение или сканирование совмещенным приемопередающим элементом.

3. С использованием системы разработанных моделей методами теорий оптимального приема и пространственно-временной обработки сигналов проведен синтез и анализ оптимальных алгоритмов апостериорной обработки результатов первичных измерений в системах типа САОРИ с заполненными апертурами приемной и передающей антенн, в системах с одним излучающим или одним приемным элементом и, соответственно, с протяженными приемной и передающей антеннами, в системах с антеннами в виде скрещенных линейных и крестообразных приемной и передающей антенн и в системах с кольцевыми приемной и передающей антеннами. По результатам анализа алгоритмов установлены закономерности оптимальной совместной апостериорной обработки излученных и принятых пространственно-временных сигналов в радиолокационных системах наблюдения, а также зависимость информационных возможностей САОРИ по измерению параметров электродинамической связи элементов двухточечного объекта от формы и размеров передающей и приемной антенн и алгоритмов получения первичных результатов измерений.

4. Разработанная модель пространственно-временного сигнала в САОРИ, согласованно учитывает координаты расположения в среде объекта (в виде изотропного точечного отражателя), алгоритм получения результатов первичных измерений, форму и размеры приемной и передающих антенн и особенности распространения электромагнитных волн в однородных средах с потерями и впервые позволяет методами теории оптимального приема и пространственной обработки сигналов проводить синтез и анализ алгоритмов совместной апостериорной обработки пространственно-временных сигналов в САОРИ и получать расчетные соотношения для определения элементов ковариационной матрицы ошибок совместной оценки координат местонахождения (проекции положения объекта на границу раздела сред) точечного объекта, находящегося в среде с потерями, а также элементов ковариационной матрицы ошибок совместной оценки скорости распространения волн в среде и глубины расположения точечного объекта. С использованием полученных выражений проведен сравнительный анализ информационных возможностей трех типов СН: системы с протяженными приемной и передающей антеннами, систем с одним приемным или одним передающим элементами и системы со сканированием совмещенными приемным и передающим элементами. Полученные соотношения раскрывают закономерности влияния среды на обнаружение и точность измерения координат заглубленных объектов в зависимости от параметров среды, глубины залегания объекта, диапазона рабочих частот СН и характеристик расположенных на границе раздела сред передающей и приемной антенн.

5. Предложенный способ наблюдения объектов, находящихся в средах с потерями, отличается от известных выполнением операции переключения ненаправленных элементов передающей антенны и операции многоканального (одновременного или последовательного) приема отраженных от объекта наблюдения сигналов, что позволяет без использования каких-либо фазосдвигающих устройств (фазовращателей или управляемых линий задержки) осуществлять на этапе обработки зарегистрированных сигналов управление параметрами излученного и принимаемого электромагнитных полей.

6. На основе анализа процесса измерения РЛХ объектов и известного принципа Гейзенберга сформулированы два принципа неопределенности измерения РЛХ объектов, утверждающие, что по запаздыванию сигнала невозможно одновременно с высоким разрешением анализировать пространственную структуру объекта (по дальности) и определять спектральные характеристики отражения отдельных структурных элементов объекта и нельзя в составе объекта одновременно точно измерить местоположение локального источника вторичного излучения и его диаграмму рассеяния.

7. Матричный метод измерения радиолокационных характеристик объектов основан на использовании выявленных функциональных свойств и информационных возможностей систем типа САОРИ и по сравнению с известными обеспечивает измерение полной совокупности радиолокационных характеристик объектов: моностатических, бистатических, интегральных, локальных и др. Кроме того, экспериментальные исследования радиолокационных характеристик объектов матричным методом впервые позволяют получать исходные данные для построения математических моделей объектов (например, учитывающие электродинамическую связь элементов), используемых при реализации современных технологий дистанционного наблюдения.

8. В обеспечение защиты информации об объектах наблюдения методом дальнепорогового окрашивания и экспериментальных исследований информационных возможностей систем наблюдения впервые разработаны принципы построения, критерии, показатели и математические модели оценки эффективности объектов, обладающих дальнепороговым эффектом обнаружения. Показано, что для формирования объектов наблюдения с наиболее резко выраженной границей проявления дальнепорогового эффекта обнаружения следует руководствоваться разработанными в диссертации принципами, в соответствии с которыми при формировании контрастно-пространственной текстуры объекта, наблюдаемого на текстурированном фоне, необходимо выполнить условие равенства нулю разностного излучения объекта и фона, а при наблюдении объекта на равномерном фоне - равенство среднего излучения объекта излучению фона или равенство нулю среднего по объекту распределения контраста. При ограниченной площади объекта и, соответственно, площади разностного изображения, для обеспечения максимально возможного значения энергии разностного изображения следует исключить элементы с нулевым контрастом, а контраст остальных должен быть максимальным и равным ± 1. Это означает, что импульсная модуляция всегда является предпочтительнее гармонической; принцип поворота элементов текстуры должен использоваться в случаях, когда повернутый элемент текстуры является ортогональным исходному, а в общем случае текстурирование должно осуществляться с использованием ортогональных элементов по отношению к исходным.

Теоретическая значимость научных результатов диссертации состоит в разработке моделей и методов, которые позволяют анализировать и синтезировать оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обработки электромагнитных полей с учетом возможности повышения информационных возможностей СН за счет совместной апостериорной обработки излученных и принятых пространственно-временных сигналов.

Практическая значимость работы состоит в установлении реальных угроз утечки информации об объектах радиолокационного наблюдения за счет повышения информационных возможностей СН типа САОРИ и в разработке моделей и методов оценки защищенности информации об объектах наблюдения, позволяющих решать на количественной основе широкий круг задач в области обеспечения информационной безопасности объектов наблюдения в условиях применения современных информационных технологий и систем дистанционного наблюдения, а также в разработке моделей, обеспечивающих эффективное применение дальнепорогового окрашивания для защиты информации об объектах наблюдения, тестирования систем наблюдения и создания объектов, обладающих минимальной и максимальной заметностью.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в:

- государственном научно-исследовательском испытательном институте проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю (г. Воронеж) при определении каналов утечки информации об объектах наблюдения;

- Федеральном государственном научно-исследовательском центре радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности Минобороны России (г. Воронеж) при определении направлений и технических путей совершенствования измерительно-испытательной базы для экспериментального исследования радиолокационных характеристик РЛХ объектов;

- войсковой части 25714 (г. Курск) при оценке информационных возможностей перспективных систем радиолокационного наблюдения (НИР «Компенсация - Р»);

- Межрегиональном центре «Инфозащита», а также внедрены в учебном процессе ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Использование результатов диссертации деятельности перечисленными организациями подтверждается соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные в диссертации модели и методы обеспечивают учет функциональных свойств и информационных возможностей перспективных СН таких как: управление апостериори полем облучения объектов наблюдения, выявление и оценка параметров электродинамической связи объектов и их элементов и возможность определения местоположения и глубины залегания объектов, находящихся в среде с потерями при неизвестных параметрах среды (коэффициента затухания и скорости распространения волн), а также решение задач оценки защищенности радиолокационной информации об объектах наблюдения в условиях применения и развития современных информационных технологий дистанционного наблюдения.

2. Модели результатов первичных измерений, получаемых идеализированной и реальными системами, и модели объектов наблюдения, учитывающие электродинамические связи между элементами объекта, построенные на основе непрерывных многомерных функций пространственных координат положения излучающего и приемного элементов и частоты, обеспечивают учет возможности повышения информационных возможностей СН за счет проведения совместной апостериорной обработки излученных и принятых пространственно-временных сигналов в перспективных СН типа САОРИ.

3. Для выявления повышенных информационных возможностей СН типа САОРИ необходимы модели объектов, учитывающие электродинамическую связь элементов. При этом об эффективности можно судить по статистическим характеристикам оценок амплитуд сигналов, однократно и двукратно отраженных от каждого элемента объекта, а качественно - по виду корреляционной матрицы координатных функций, описывающих пути прохождения сигналов от текущей точки раскрыва передающей антенны до отражателей, между отражателями и от них до текущей точки приемной антенны.

4. Модели сигнала и систем типа САОРИ, построенные на основе непрерывных многомерных функций с учетом особенностей распространения электромагнитных волн в средах, позволяют методами теории оптимального приема и пространственной обработки сигналов, проводить синтез и анализ алгоритмов совместной апостериорной обработки пространственно-временных сигналов в САОРИ, получать расчетные соотношения для определения элементов ковариационной матрицы ошибок совместной оценки координат местоположения объекта и параметров среды, и исследовать закономерности обеспечения защищенности радиолокационной информации о заглубленных объектах наблюдения в зависимости от параметров среды, глубины залегания объекта, диапазона рабочих частот СН и характеристик расположенных на границе раздела сред передающей и приемной антенн.

5. Системы радиолокационного наблюдения объектов типа САОРИ могут быть построены без использования каких-либо фазосдвигающих устройств с функциональными возможностями присущими РЛС с независимыми фазированными передающей и приемной антенными решетками при более низких информационных возможностях последних.

6. Возможности измерения локальных РЛХ объектов ограничены сформулированными принципами неопределенности, не позволяющими одновременно точно измерить по запаздыванию сигнала пространственную структуру объекта (по дальности) и спектральные характеристики структурных элементов объекта, а в составе объекта одновременно точно измерять местоположение локального источника вторичного излучения и его диаграмму рассеяния.

7. Измерение полной совокупности РЛХ объектов и параметров электродинамической связи элементов обеспечивается на основе предложенного матричного метода с использованием современных информационных технологий дистанционного наблюдения и получения первичных результатов измерений путем переключения (сканирования) элементов передающей антенны и дискретных частот зондирующего сигнала при одновременной или последовательной многоканальном приеме отраженных сигналов и их совместной апостериорной обработки.

8. Принципы формирования объектов наблюдения с наиболее резко выраженной границей проявления дальнепорогового эффекта обнаружения включают: равенство нулю среднего по объекту распределения контраста, узкополосность его пространственного спектра и максимально возможное значение энергии разностного изображения.

Кроме того, на защиту выносятся разработанные формализованные постановки задач исследования и основные научные результаты, полученные в работе.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

VIII Международной научно-технической конференции (Москва, 1999);

IX Международной конференции по спиновой электронике (Москва, 2000);

XIII Международной конференции “Радиолокация, навигация и связь” (Воронеж, 2007);

XIV Международной конференции “Радиолокация, навигация и связь” (Воронеж, 2008);

научном форуме “Системы, процессы и безопасность” (Воронеж, 2008);

II научно-практической конференции “Проектирование систем электроснабжения, автоматизация и АСУ ТП объектов нефтяного хозяйства” (Пермь, 2006);

III сессии “Системы, процессы и безопасность” (Воронеж, 2008);

конференции “Техника и безопасность объектов УИС-2008” (Воронеж, 2008);

VII Всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 31 научной работе, в том числе 13 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 монографии.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-3] - разработка основных концептуальных положений; [8, 24-26, 31] - постановки задач, выбор методов их решения, интерпретация полученных результатов и выводы; [4, 9, 11, 27, 28] - постановки задач, разработка математических моделей и методов оценки информационных возможностей систем типа САОРИ и оценки защищенности информации об объектах наблюдения, анализ полученных результатов и выводы; [15] - теоретические основы, методы и модели оценки информационных возможностей активных систем с апостериорной обработкой результатов измерений типа САОРИ, методы и модели оценки защищенности информации об объектах, находящихся в средах с потерями, фундаментальные ограничения на измерения локальных РЛХ и высокоинформативный матричный метод измерения, а также теоретические основы (методы и модели оценок), принципы и рекомендации защиты информации об объектах наблюдения при применении дальнепорогового окрашивания; [16, 17] - идеи изобретений, новые операции и устройства, обеспечивающие достижения заявленного технического эффекта.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 130 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 325 страницах и содержит 67 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в работе, их достоверность, практическая значимость, сведения об апробации и публикациях, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана характеристика общей проблемы развития методологии обеспечения информационной безопасности и защиты информации об объектах наблюдения в современных условиях бурного развития информационных технологий и систем дистанционного наблюдения. Проведен анализ состояния ее разработки и обоснованы задачи и методы исследования.

Показано, что для решения задач оценки эффективности обеспечения информационной безопасности объектов, оценки защищенности информации и информационной безопасности объектов наблюдения, оценки вероятного ущерба нарушения информационной безопасности и уязвимости объектов наблюдения важным направлением исследований является построение математических моделей каналов технической утечки информации с учетом современного уровня развития информационных технологий и систем дистанционного наблюдения и разработка методов оценки защищенности информации об объектах наблюдения.

На основе анализа информационного канала дистанционного наблюдения и происходящих в нем процессов рассматриваются ключевые вопросы выбора критериев и показателей качества решения задач, оценки защищенности информации об объектах наблюдения и учета действия современных информационных технологий дистанционного наблюдения. Ряд положений и допущений, принятых в ходе проведенного анализа, в ориентации на современный уровень развития методологии исследований в рассматриваемой области знаний обосновано определяет состав задач и методы их решения.

Ключевым конструктивным положением работы, обеспечивающим решение задач на количественной основе, является представление СН различных типов информационными системами в смысле определения В.Г. Репина и Г.П. Тартаковского. В качестве основного метода исследования выбран метод моделирования процесса дистанционного наблюдения с учетом всех факторов, оказывающих на него влияние, современных информационных технологий дистанционного наблюдения и тенденций их развития. Для построения иерархической системы критериев и показателей качества функционирования СН, непосредственно связанных с критериями и показателями защищенности информации об объектах наблюдения, предложено использовать два подхода: квалиметрический и подход, основанный на построении модели потребителя информации.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения моделей каналов технической утечки информации об объектах при применении высокоинформативных систем дистанционного наблюдении. Показано, что наиболее информативными, с учетом применения современных технологий дистанционного наблюдения и тенденций их развития, являются СН, особенность которых состоит в апостериорной совместной обработке результатов измерений, зарегистрированных многоканальной (реальной или синтезированной) приемной антенной при переключении (сканировании) излучающих элементов передающей антенны при использовании дискретной сетки частот. В качестве математической модели результатов пространственных измерений, регистрируемых идеализированной СН с дискретно-непрерывными передающей и приемной антеннами, впервые предложено использовать непрерывную четырехмерную функцию пространственных координат положения передающего и приемного элементов

, (1)

где - апертурные функции передающей и приемной антенн, - комплексная амплитуда поля, излучаемого передающей антенной, - линейный оператор, описывающий искомые свойства объекта наблюдения, P, Q - области пространства, занятые передающей и приемной антеннами.

Функционирование реальных СН с частично заполненными передающей и приемной антеннами описывается детерминированной функцией выборки , принимающей значения единица или нуль в зависимости от совпадения пространств, занимаемых антеннами идеализированной и реальной систем

(2)

которая обладает следующими свойствами

. (3)

Здесь S_эл - площадь элемента передающей и приемной антенн, и - площади антенн, N, M - число элементов передающей и приемной антенн.

С использованием предложенных моделей рассматриваются алгоритмы оптимальной совместной апостериорной обработки результатов измерений, функциональные свойства и информационные возможности информационных приемопередающих систем с апостериорной обработкой результатов измерений (САОРИ). Показана, в частности, возможность получения изображений объектов с управляемым апостериори полем облучения объектов наблюдения.

Принцип функционирования рассматриваемой системы типа САОРИ можно пояснить на примере плоскостной задачи. На рис. 1 приведена геометрия условного расположения линейных передающей и приемной антенн вдоль осей 0r и 0с, соответственно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Геометрия условного расположения линейных передающей и приемной антенн

Первичная регистрация результатов измерений осуществляется следующим образом. Путем сканирования или переключения излучающий элемент занимает позиции сигнал, отраженный от объекта, при этом последовательно или одновременно регистрируется всеми приемными элементами, находящимися в точках . По результатам измерений будет заполнена таблица.

Результаты первичных измерений

	Значения весовой функции q(с)	Радиогологра-фическое представление
	q1	q2		qN
	12	>	сj
Значения весовой функции с(r)	p1	1	u11	u12	…	u1N	Г1(с)	p1
	p2	2	u21	u22		u2N	Г2(с)	p2
	…	v	…			…	…
	pМ	ri	uМ1	uМ2	…	uМN	ГM(с)	pM

С позиции радиоголографии отдельные строки таблицы первичных измерений представляют собой (при ) обычные радиоголограммы, зарегистрированные при некотором фиксированном положении ненаправленного источника подсвета объекта наблюдения. Например, первая строка таблицы соответствует дискретной радиоголограмме , зарегистрированной при расположении источника подсвета объекта в точке r = r₁.

Если при обработке результатов измерений все строки таблицы, умноженные на свои веса, когерентно сложить друг с другом, то вновь будет получена радиоголограмма объекта, но (в силу линейности процесса) при подсвете объекта результирующем источником, излучение которого представляет собой когерентную весовую сумму излучений элементарных источников. Этот результирующий источник подсвета, во-первых, является протяженным, а во-вторых, имеет апертурную функцию, соответствующую весовой функции . Такой протяженный источник может формировать поле облучения объекта в общем случае со сложной пространственной структурой. Поскольку весовая функция была задана на этапе апостериорной обработки результатов первичных измерений, то получаем важный вывод о том, что СН типа САОРИ обеспечивают получение изображений объектов наблюдения с апостериори управляемым полем облучения.

Таким образом, возможность апостериорного управления пространственной структурой поля облучения является новым функциональным свойством СН типа САОРИ, существенно повышающим их информационные возможности в сравнении с известными СН.

Третья глава посвящена разработке моделей и методов оценки защищенности и обеспечения защиты информации об объектах, наблюдаемых СН типа САОРИ. В результате проведенных исследований предложена четырехмерная модель сигнала двухточечного объекта со связанными (переизлучающими) отражателями и с её использованием методом максимального правдоподобия показаны возможности СН с апостериорной обработкой результатов измерений по независимой оценке амплитуд однократно и двукратно отраженных от двухточечного объекта сигналов. Проведены исследования влияния характеристик передающей и приемной антенн на информационные возможности САОРИ.

Здесь ключевым вопросом является разработка модели сигнала двухточечного объекта со связанными отражателями, которая имеет вид (рис. 2)

Рис. 2 Схема формирования сигнала вторичного излучения двухточечным объектом за счет однократного отражения (а) и двукратного переотражения (б)

, (4)

где А₁, А₂ - амплитуды отраженных сигналов от первого и второго отражателей, А₁₂ - амплитуда сигнала, прошедшего путь: «излучатель - первый отражатель - второй отражатель - приемник», А₂₁ - амплитуда встречного сигнала, , - координатные или «путевые» функции, описывающие пути распространения сигнала от текущей точки r раскрыва передающей антенны до текущей точки с раскрыва приемной антенны.

Последующие исследования с использованием этой модели сигнала выполнены в соответствии с процедурами синтеза и анализа оптимальных алгоритмов обработки информации, разработанными в теориях оптимального приема и пространственно-временной обработки сигналов.

Четвертая глава посвящена разработке моделей и методов оценки защищенности информации об объектах радиолокационного наблюдения, находящихся в средах с потерями.

В качестве СН также рассматриваются системы типа САОРИ. В диссертации методами теории оптимального приема и пространственно-временной обработки сигналов получены предельные оценки точности измерения местонахождения (проекции положения на плоскую границу раздела сред) заглубленного точечного объекта, а также глубины его расположения при неизвестных параметрах среды.

Здесь вновь ключевой задачей является разработка модели сигнала, которая решена путем развития модели (1). Применительно к СН, имеющей передающую и приемные антенные решетки, расположенные на границе сред в плоскости XOY и занимающие области пространства и , соответственно. При этом предполагается, что элементы передающей антенны излучают на центральной частоте узкополосный зондирующий сигнал со спектральной плотностью огибающей сигнала . Осуществляется локация точечного объекта в среде с потерями, расположенного в точке M (рис. 3) с координатами , принимаемый в точке приемной антенны сигнал приближенно представляется в виде

, (5)

где _ апертурные функции передающей и приемной антенн, и v - коэффициент затухания и скорость распространения волн в среде, , , - текущие расстояния от точечного объекта, рассоложенного в точке M, до передающего элемента антенны, расположенного в точке с координатами , и до приемного элемента антенны, расположенного в точке , _ вектор истинных значений оцениваемых параметров.

Рис. 3 Пространственное положение точечного объекта, находящегося в точке M, приемной и передающей антенн

Данная задача является достаточно сложной и в известной литературе ранее не рассматривалась. Возможные перспективы ее решения в настоящее время открываются в связи с разработкой новых конструктивных моделей функционирования СН типа САОРИ.

С использованием этой модели в работе получены расчетные соотношения для определения элементов ковариационной матрицы ошибок совместной оценки координат местонахождения (проекции положения объекта на границу раздела сред) точечного объекта, находящегося в средах с потерями

, (6)

, (7)

, (8)

где

Здесь F_Э - эквивалентная ширина спектра сигнала, _1.2.x,y - параметры, учитывающие характеристики приемной и передающей антенн и геометрию расположения объекта.

Установлены условия, когда оценки координат становятся некоррелированными (K_x,y=0), а точность измерения координат заглубленного объекта - предельной.

Проведен сравнительный анализ информационных возможностей систем трех типов: СН с протяженными приемной и передающей антеннами (система № 1), СН с одним приемным или одним передающим элементом и с протяженной антенной противоположного типа (система № 2) и СН со сканированием совмещенными приемным и передающим элементами (система № 3).

С учетом того, что параметры среды, как правило, являются неизвестными, далее решена задача и получены расчетные соотношения для определения элементов ковариационной матрицы ошибок совместной оценки, скорости распространения волн в среде и глубины расположения точечного объекта в виде

, (9)

, (10)

, (11)

где

(12)

, (13)

, (14)

. (15)

. (16)

L_i- параметры, учитывающие характеристики антенн и расположение объекта.

С использованием полученных соотношений далее в работе проведен анализ информационных возможностей систем различных типов. Получен ряд результатов, представляющих практический интерес. Так при реализации оптимальных алгоритмов обработки сигналов отпадает необходимость в проведении вспомогательной процедуры снятия годографа и др.

В связи с рассматриваемыми в разделе вопросами в приложении описывается запатентованный способ повышения информативности СН, основанный на функционировании САОРИ.

В пятой главе рассматриваются вопросы совершенствования измерительной базы в обеспечение разработки и создания эффективных методов и средств технической защиты информации об объектах радиолокационного наблюдения. Уточняются потребности экспериментального исследования радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов и на этой основе формулируются общие требования по их измерению. Значительное внимание уделено вопросам построения математических моделей измеряемых РЛХ, которые во многих случаях являются основой для повышения информативности РИК на базе применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения. Обсуждаются также фундаментальные ограничения, накладываемые волновой природой электромагнитного поля (ЭМП) и предельными возможностями систем по получению информации об РЛХ объектов. Измерение РЛХ осуществляется дистанционными методами, причем наиболее информативные из них связаны с получением радиолокационных изображений. Поэтому, учитывая определяющее значение информационных технологий дистанционного наблюдения в вопросах измерения РЛХ объектов, в работе рассмотрены пути построения достаточно точных линейных математических моделей РЛХ общего вида, использующие линейность уравнений Максвелла, а также приближенных моделей в приближении геометрической оптики и в приближении Кирхгофа.

Важное значение для определения направлений совершенствования средств измерения РЛХ объектов имеет изучение и учет общих закономерностей и предельных возможностей измерения параметров сигналов (электромагнитных полей), в которых в закодированном виде отражены свойства объектов наблюдения.