Оптические каналы утечки информации

Структура оптического канала утечки информации имеет вид, показанный на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Структура оптического канала утечки информации

В общем случае источником оптического сигнала является объект наблюдения, который излучает сигнал или переотражает свет другого, внешнего источника. Отражательная способность объектов наблюдения зависит от длины волны падающего света! и спектральных характеристик поверхности объекта наблюдения. Отражательная способность ряда природных фонов (травы, листы | и др.) и биологических объектов возрастает в несколько раз при; смещении длины волны падающего света в область более длинных волн, а для неживых объектов она меняется мало в широком диа­пазоне длин волн.

Мощность источника светового сигнала характеризуется вели­чиной светового потока в люменах (лм). Световой поток излуча­ющего объекта наблюдения определяется как произведение силы излучаемого света на телесный угол в стерадианах (ср), в преде­лах которого распространяется свет в направлении на оптический приемник. Яркость излучения измеряется в канделлах на м² или см². Яркость приблизительно около 1 кд/см² создают горящая све­ча и голубое небо днем.

Если объект наблюдается в отраженном свете, то создаваемый им световой поток равен произведению освещенности объекта на площадь проекции объекта на плоскость, перпендикулярную на­правлению наблюдения. Освещенность измеряется в люксах (лк).

Источники оптических сигналов в видимом и ИК-диапазонах оптических каналов утечки информации характеризуются следую­щими показателями:

•диапазоном длин волн — 0,4-0,76 мкм в видимом диапазоне, 0,76-3 мкм — в ближнем, 3-6 мкм — в среднем, 8-14 мкм — в дальнем ИК-диапазонах;

•освещенностью объектов наблюдения внешним (солнечным) светом — 10~⁵-10⁵ люкс (лк).

Основным и наиболее мощным внешним источником све­та, освещающим объекты наблюдения в дневное время, является Солнце. При температуре поверхности около 6000° С Солнце излу­чает огромное количество энергии в достаточно широкой полосе — от ультрафиолетового до инфракрасного (0,17-4 мкм). Максимум солнечного излучения приходится на 0,47 мкм, в ультрафиолето­вой части оно резко убывает, в инфракрасной области зависимость уровня излучения от длины волны регистрируется в виде широкой и пологой кривой.

При прохождении через атмосферу солнечные лучи взаимо­действуют с содержащимися в ней молекулами газов, частицами пыли, дьща, кристалликами льда, каплями воды. В результате та­кого взаимодействия часть солнечной энергии поглощается, дру­гая -— рассеивается.

Процессы рассеяния и поглощения солнечной энергии умень­шают интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли и меняют спектр солнечного света, освещающего наземные объекты. В кривой излучения этого света, описывающей интенсивность из­лучения в зависимости от длины волны, появляются участки пог­лощения и пропускания. Излучения длиной менее 0,27 полностью поглощаются озоном. Поэтому уменьшение концентрации озона в верхних слоях атмосферы в так называемых «озоновых дырах» со­здает серьезную опасность облучения людей мощным ультрафио­летовым светом.

Атмосферное рассеяние света уменьшает прямую солнечную радиацию и повышает рассеянное (диффузное) излучение атмос­феры. Рассеяние в коротковолновой части спектра сильнее, чем в длинноволновой. Особенно заметно оно в голубой и ультрафиоле­товой областях, Поэтому небо имеет голубой цвет. Интенсивность рассеяния солнечного света в ближнем инфракрасном диапазоне незначительная.

Задымленность приповерхностного слоя атмосферы мало вли­яет на излучения в ближнем ИК-диапазоне, если размеры твердых частиц дыма в атмосфере не превышают 1 мкм. Туман и облака очень сильно рассеивают ИК-излучение в этом интервале длин, так как водяные капли имеют размер около 4 мкм. Молекулярное и аэ­розольное рассеяние солнечного света вызывает ее свечение в ат­мосфере, которое называют дымкой. Рассеянное излучение созда­ет освещенность теневых участков земной поверхности, увеличи­вая их относительную яркость.

Облачность существенно влияет на суммарную освещенность. Наличие облачности высоких ярусов, не закрывающих солнечный диск, повышает рассеянное излучение и при сохранении значения прямой освещенности увеличивает ее суммарную величину на 20-30% по сравнению с освещенностью при безоблачном небе. Низкая облачность так же, как и тени облаков, снижает в зависимости от высоты Солнца суммарную освещенность в 2-5 раз. При снежном покрове и облачности многократное отражение ими излучения по­вышает суммарную освещенность, особенно в теневых участках.

Освещенность в дневное время земной поверхности Солнцем составляет в зависимости от его высоты, облачности атмосферы Ю'-10⁵лк. С движением Солнца к горизонту Земли, когда зенит­ное расстояние между ними достигает максимума, освещенность Солнцем уменьшается до 10 лк. При этом изменяется спектр сол­нечного света. Так как при прохождении толщи атмосферы синие и фиолетовые лучи ослабляются сильнее, чем оранжевые и красные, максимум излучения Солнца смещается в красную область цвета. С заходом Солнца за горизонт и наступлением сумерек освещен­ность убывает вплоть до наступления астрономических сумерек, за которыми следует наиболее темное время суток — ночь.

Освещенность в лунную ночь при безоблачном небе, когда так называемую естественную ночную освещенность (ЕНО) создает отраженный от Луны солнечный свет, составляет около 0,3 лк. Величина ЕНО света Луны в течение месяца меняется приблизи­тельно в 100 раз в зависимости от взаимного положения Луны, Солнца и Земли. Лунный месяц разделяется по уровню освещен­ности на четыре части, каждая длительностью около недели.

Источниками излучения в безлунную ночь при безоблачном небе, называемого звездным светом, являются солнечный свет, отраженный от планет и туманностей, свет звезд, а также свече­ние кислорода и азота в верхних слоях атмосферы на высоте 100-300 км. Освещенность поверхности Земли звездным светом состав­ляет в среднем 0,001 лк.

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

Средняя температура поверхности Земли близка к 17 ° по Цель­сию. Максимум ее теплового излучения приходится на длину вол­ны, равную приблизительно 9,7 мкм. Объекты под действием сол­нечной радиации в течение дня по-разному отдают накопленное тепло в окружающее пространство. Различия в температуре излу­чения могут рассматриваться как демаскирующие признаки.

Объекты могут иметь собственные источники тепловой энер­гии, например высокотемпературные элементы машин, дизель-электростанции и др., температура которых значительно выше температуры фона. Максимум теплового излучения таких объек­тов смещается в коротковолновую область, что является их демас­кирующим признаком.

Объект наблюдения в оптическом канале утечки информации может рассматриваться одновременно как источник информации и источник сигнала, так как световые лучи, несущие информацию о видовых признаках объекта, представляют собой отраженные объ­ектом лучи внешнего источника или его собственные излучения.

Отраженный от объекта свет содержит информацию о вне­шнем виде (видовых признаках) объекта, а излучаемый объектом свет •— о параметрах излучений (признаках сигналов). Запись ин­формации производится в момент отражения падающего света пу­тем изменения его яркости и спектрального состава. Излучаемый свет содержит информацию об уровне и спектральном составе ис­точников видимого света, а в инфракрасном диапазоне по характе­ристикам излучений можно также судить о температуре элемен­тов излучения.

Освещенность Е некоторых объектов наблюдения на улице и в помещении указана в табл. 6.7.

Таблица 6.7

Объект наблюдения на улице	Е,лк	Объект наблюдения в помещении	Е,лк
Яркий солнечный свет	104-105	Офис	200-500
Пасмурный день	102-103	Магазин	75-300
Сумерки	1-10	Коридор	75-200
Полная луна	0,1-1	Производственные поме­щения для: — грубой работы; — работы средней слож­ности; — тонкой работы; — очень тонкой работы	40-100 80-300 150-1000 300-5000
Пасмурная ночь	0,1-0,01	Жилые помещения	40-150
Безлунная ясная ночь	io-3-io~2	Переходы и лестницы	15-30
Безлунная пасмур­ная ночь	10 МО'4	Заводские дворы ночью	3-15

В видимом диапазоне мощность излучения определяется в по­давляющем большинстве случаев мощностью отраженного све­та и содержащихся в объекте искусственных источников света. Например, габариты автомобиля в ночное время обозначаются включенными фонарями красного цвета, укрепленными по краям автомобиля. Собственные электромагнитные излучения в види­мом диапазоне объект наблюдения или его элементы излучают при высокой температуре. В ближней (0,76-3 мкм) и средней (3-6 мкм) диапазонах ИК-излучения объектов значительно меньше мощнос­ти отраженного от объекта потока солнечной энергии. Однако с пе­реходом в длинноволновую область ИК-излучения мощность теп­лового излучения объектов может превышать мощность отражен­ной солнечной энергии.

Среду распространения в оптическом канале утечки инфор­мации образует:

•безвоздушное (космическое) пространство;

•атмосфера;

•вода;

•оптические волокна.

Оптический канал утечки информации, среда распростране­ния которого содержит участки безвоздушного пространства, воз­никает при наблюдении за наземными объектами с космических аппаратов. Граница между космическим пространством и атмос­ферой достаточно условна. В приземном космическом пространс­тве на высоте 100-200 км существуют еще остатки газов, тормозя­щие низкоорбитальные космические аппараты.

Сложный состав атмосферы вызывает неравномерность (изрезанность) ее амплитудно-частотной характеристики как среды рас­пространения. Участки в ней с малым затуханием называются ок­нами прозрачности. Диапазон зрения человека соответствует од­ному из наиболее широких и благоприятному для зрения окну про­зрачности, что подтверждает земное происхождение человека.

В общем случае прозрачность атмосферы зависит от соотно­шения длины проходящего сквозь нее света и размеров взвешен­ных в атмосфере частиц. Если размеры частиц соизмеримы с дли­ной волны света (больше половины длины волны) или больше, то пропускание значительно ухудшается. Поэтому уровень пропуска­ния меняется в зависимости от длины световой волны.

В видимой области прохождению света препятствуют абсорби­рующие фотоны света молекулы кислорода и воды. Относительный коэффициент пропускания видимого света составляет около 60%. В ближней ИК-области пропускание несколько большее —-до 70%. Адсорбентом в этой области являются пары воды. В средней ИК-области, в диапазоне 3-4 мкм, пропускание достигает почти 90%.

Высокое пропускание имеет довольно обширный участок в даль­ней ИК-области (с 8 до 13 мкм). Абсорбентом в нем являются мо­лекулы кислорода и воды, а также углекислого газа и озона в ат­мосфере.

Прозрачность атмосферы среды распространения света оцени­вается метеорологической дальностью видимости. Метеороло­гическая видимость даже в окнах прозрачности зависит от нали­чия в атмосфере взвешенных частиц пыли и влаги, образующих мглу и туман, капелек и кристаллов воды в виде дождя и снега, а также аэрозолей и дымов, содержащих твердые частицы. Все это вызывает замутнение атмосферы и ухудшает видимость. Под ме­теорологической дальностью видимости понимается предельно большое расстояние, начиная с которого при данной прозрачности атмосферы в светлое время суток абсолютно черный предмет с уг­ловыми размерами 20' * 20' сливается с фоном у горизонта и стано­вится невидимым. Значения метеорологической дальности види­мости, видимости в баллах и визуальной оценки замутненности ат­мосферы приведены в табл. 6.8 [7].

Таблица 6.8

Метеорологичес­кая дальность ви­димости, км	Оценка видимости, баллы	Визуальная оценка замутненности атмосферы
Менее 0,05		Очень сильный туман
0,05-0,2		Сильный туман
0,2-0,5		Умеренный туман
0,5-1,0		Слабый туман
1,0-2,0		Очень сильная дымка (очень плохая видимость)
2,0-4,0		Сильная дымка (плохая видимость)
4,0-10,0		Умеренная дымка (посредственная видимость)
10,0-20,0		Слабая дымка (удовлетворительная видимость)
20,0-50,0		Хорошая видимость
Более 50,0		Исключительно хорошая видимость
Более 200		Чистый воздух

Показатели метеорологической дальности атмосферы в конк­ретном районе регулярно определяются на станциях метеорологи­ческой службы и в метрах или в баллах передаются радиостанци­ями пользователям этой информации, в том числе водителям авто­транспорта.

Если объект наблюдения и наблюдатель находятся на Земле, то протяженность канала утечки зависит не только от состоя­ния атмосферы, но и ограничивается влиянием кривизны Земли. Дальность прямой видимости D_nB в км с учетом кривизны Земли можно рассчитать по формуле:

где h — высота размещения объекта над поверхностью Земли в м; Ь_и— высота расположения наблюдателя над поверхностью Земли в м.

Например, для Ь=ЗмиЬ=5мО — 14 км, что меньше мете­орологической дальности при хорошей видимости. Эта формула не учитывает неровности поверхности Земли, растительность и раз­личные инженерные сооружения (деревья, башни, высотные зда­ния и т. д.), создающие препятствия для света.

Так как параметры источников сигналов и среды распростра­нения зависят от значений спектральных характеристик носителя информации, то протяженность оптического канала утечки ее в ви­димом и ИК-диапазонах может существенно различаться.

Однако в общем случае потенциальные оптические кана­лы утечки информации имеют достаточно устойчивые признаки. Типовые варианты оптических каналов утечки информации приве­дены в табл. 6.9.

Таблица 6.9

Объект наблюдения (источник оптичес­кого сигнала)	Среда распространения	Оптический приемник
1	2	3
Документ, продук­ция в помещении	Воздух Воздух + стекло окна	Глаза человека + би­нокль, фотоаппарат

1
Продукция во дворе, на машине, на плат­форме	Воздух Атмосфера + безвоз­душное пространство	То же Фото, ИК, телевизионная аппара­тура на КА
Человек в помеще­нии, во дворе, на ули­це	Воздух Воздух + стекло	Глаза человека + би­нокль, фото-, кино-, те­левизионная аппаратура

До недавнего времени атмосфера и безвоздушное пространс­тво были единственной средой распространения световых волн. С разработкой волоконно-оптической технологии появились на­правляющие линии связи в оптическом диапазоне, которые в силу больших их преимуществ по сравнению с традиционными элек­трическими проводниками рассматриваются как более совершен­ная физическая среда для передачи больших объемов информации. Линии связи, использующие оптическое волокно — волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), устойчивы к внешним помехам, имеют малое затухание, долговечны, обеспечивают значительно большую безопасность передаваемой по волокну информации.

Волокно представляет собой нить диаметром около 100 мкм, изготовленную из кварца на основе двуокиси кремния. Волокно со­стоит из сердцевины (световодной жилы) и оболочки из оптически менее плотного кварца. Значения показателей преломления (отно­шений скорости света в вакууме к скорости распространения све­та в среде) жилы и оболочки выбираются такими, чтобы обеспе­чить полное отражение света, распространяющегося по световод­ной жиле, от границы между жилой и оболочкой. Предельный угол полного отражения света (угол падения света на границу раздела среды, при равенстве и превышении которого наблюдается полное отражение от него) определяется из соотношения а = агсзт(п_ж / п_о), где пип — показатели преломления жилы и оболочки (рис. 6.9).

Волокно, у которого сердцевина имеет постоянный показа­тель преломления света, называется ступенчатым. Если показа­тель преломления жилы меняется, то волокно называется гради­ентным.

Для передачи оптических сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. В одномодовом волок­не световодная жила имеет диаметр порядка 8-10 мкм, по кото­рой может распространяться один луч (одна мода) (рис. 6.10 а)). В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм, что делает возможным распространение в нем большо­го числа лучей (рис. 6.10 б)).

Рис. 6.10. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Оптическое волокно как среда распространения оптического канала утечки информации характеризуется двумя основными па­раметрами: затуханием и дисперсией. Затухание определяет по­тери света в результате его поглощения и рассеяния и измеряет­ся в децибелах на километр (дБ/км). Потери на поглощение зави­сят от чистоты материала и длины волны света, а потери на рас­сеяние — от неоднородности показателя преломления. Кварц, так же как и воздух, имеет неравномерную амплитудно-частотную ха­рактеристику, с окнами прозрачности. Повышенная прозрачность кварца наблюдается в диапазонах 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,55 мкм и др. Поэтому в качестве носителя информации применяется свет в этих диапазонах. Лучшие образцы волокна имеют затухание порядка 0,15-0,2 дБ/км, разрабатываются еще более «прозрачные» волок­на с теоретическими значениями затухания порядка 0,02 дБ/км для волны длиной 2,5 мкм. При таком затухании сигнала могут переда­ваться на расстояние в сотни км без ретрансляции (регенерации), что существенно превышает длину аналогичных линий связи на электрических проводах.

Так как лазер, который используется в качестве источника све­та для оптических каналов связи, излучает не идеальное монохромное колебание, а некоторый спектр длин волн, то спектральные со­ставляющие оптического сигнала распространяются по светопро­воду с разными фазовыми скоростями, которые зависят от показа­теля преломления. В результате этого происходит разброс — дис­персия моментов прихода в точку приема спектральных состав­ляющих сигнала. Она приводит к искажению (расширению) фор­мы сигнала при его распространении в волокне, что ограничивает дальность передачи и верхнее значение частоты спектра сигнала. Дисперсия волокна оценивается величиной увеличения длитель­ности оптического сигнала Ат или эквивалентной полосы частоты пропускания Af в МГц на один км длины. При этом Дт ~ 1 / Д£

Волокна объединяют в волоконно-оптические кабели, покры­тые защитной оболочкой. По условиям эксплуатации кабели подраз­деляются на монтажные, станционные, зоновые и магистраль­ные. Кабели первых двух типов используются внутри зданий и со­оружений. Зоновые и магистральные кабели прокладываются в ко­лодцах кабельных коммуникаций, в грунтах, на опорах, под водой.

Малые размеры жилы световолокна и необходимость обеспе­чения центрирования жил и параллельности поверхностей торцов волокон при их соединении создают определенные трудности при коммутации и ремонте ВОЛС по сравнению с электрическими про­водами. Для соединения волокон с приемно-передающей аппарату­рой используются' коннекторы (соединители) различных типов с накидной гайкой и защелками-фиксаторами. Затухание оптическо­го сигнала в коннекторах составляет доли дБ. Волокна сращивают­ся путем сварки, механического соединения с помощью специаль­ных пластиковых устройств — «сплайсов», • представляющих со­единения в прецизионной втулке с гелем, оптические свойства ко­торого совпадают с оптическими свойствами волокна.

Хотя возможность утечки информации из волоконно-оптичес­кого кабеля существенно ниже, чем из электрического, но при опре­деленных условиях такая утечка возможна. Для съема информации теоретически можно разрушить защитную оболочку кабеля, най­ти нужное оптическое волокно, прижать фотодетектор приемника к очищенной площадке волокна и изогнуть волокно на угол, при котором не обеспечивается полное отражение оптического луча внутри волокна и часть световой энергии попадает на фотодетектор приемника. Практически информацию из оптического волокна добывают в местах соединения кабеля с техническими средствами или участков кабеля друг с другом. Во-первых, в местах соедине­ния трудно исключить излучение света в окружающее пространс­тво из-за смещения соединяемых волокон, наличия зазора между ними, непараллельности торцевых поверхностей волокон, углово­го рассогласования осей волокон и различия в их диаметрах. Во-вторых, в этих местах реален доступ к волоконно-оптическому ка­белю и оперативная замена штатных коннекторов на коннекторы с отводом части световой энергии к фотодетектору оптического при­емника злоумышленника.

В качестве оптических приемников оптических каналов утеч­ки информации используются:

•оптические приборы, расширяющие возможности зрения на­блюдателя (бинокли, зрительные трубы, специальные телеско­пы и др.);

•фото- и киноаппараты, видеокамеры, консервирующие наблю­даемое изображение;

•телевизионные камеры, позволяющие передавать движущееся изображение на сколь угодно большое расстояние;

•приборы ночного видения, преобразующие невидимое глазом инфракрасное изображение в видимое;

•тепловизоры, позволяющие наблюдать объект в свете его собс­твенного теплового излучения.

Показатели оптического приемника существенно влияют на ха­рактеристики оптических каналов утечки информации. Наиболее существенные для добывания информации из них следующие:

•диапазон длин волн, воспринимаемых оптическим приемни­ком;

•чувствительность, определяемая минимальным уровнем свето­вого потока на входе оптического приемника, при котором на его выходе формируется изображение объекта с приемлемым
для злоумышленников качеством;

•разрешающая способность, характеризующая минимальные размеры точки (пикселя) изображения;

•угол (поле) зрения, определяющий наблюдаемую часть про­странства;

• величина геометрических и цветовых искажений изображения объекта наблюдения.

От этих показателей зависит возможность добывания видо­вых демаскирующих признаков объекта наблюдения в различных • участках оптического диапазона длин волн, дальность наблюдения объекта, точность измерения демаскирующих признаков, количес­тво объектов на изображении. Характеристики средств наблюде­ния рассмотрены в разд. III.