Гизатуллин монография 1

дарте МЭК 61000-2-13 для классификации сигналов вводится процентная ширина спектра [213]:

Стандарт определяет следующие типы ЭМИ в зависимости от процентной ширины спектра: узкополосный сигнал – pbw < 1%;

сигнал со средней шириной спектра – 1% < pbw < 25%; сверхши-

рокоплосный сигнал – pbw > 25%.

Возможные характеристики генераторов широкополосных и сверхширокополосных ЭМИ представлены в табл. 2.7 [223].

Таблица 2.7

Возможные характеристики генераторов ЭМИ преднамеренного локального электромагнитного воздействия

Широкополосные и сверхширокополосные ЭМИ СЭТ представляют собой повторяющиеся с относительно низкой частотой последовательности сверхкоротких импульсов или затухающих колебаний напряженности электромагнитного поля в широкой по-

72

лосе частот. 90 % энергии данных ЭМИ лежит в диапазоне частот от 100 МГц до 3 ГГц [104]. Узкополосные ЭМИ обычно представляют собой редко повторяющиеся радиоимпульсы напряженности электромагнитного поля длительностью до 10 мс, имеющие высокочастотное монохроматическое заполнение на частотах, превышающих 1 ГГц. Преимущественно, широкополосные и сверхширокополосные ЭМИ существующие на практике имеют несколько временных форм [64, 74, 75, 107, 214]:

1. В виде импульса Гаусса. Форма импульса описывается следующим выражением:

где Emax – максимальная напряженность электрического поля импульса; α – коэффициент формы; t – время. Например, при Emax = = 1 В/м, α1 = 0,125·10–9 , t0 = 1 нс форма импульса представлена на рис. 2.15, а. Энергетический спектр данного импульса описывается выражением (рис. 2.15, б):

Рис. 2.15. ЭМИ СЭТ в виде импульса Гаусса:

а– временная форма; б – спектр

2.В виде двойной экспоненты. Форма импульса описывается следующим выражением:

73

E2 (t) = Emax k2 (1 - e−α2t ) p e−β2t ,

где a2, b2, p – коэффициенты определяющие форму ЭМИ; k2 – коэффициент нормализации. Например, при Emax = 1 В/м, a2 = 3,7 109, b2 = 0,75 109, k2 = 0,37, форма импульса представлена на рис. 2.16, а. Энергетический спектр данного ЭМИ описывается выражением

(рис. 2.16, б):

Рис. 2.16. ЭМИ СЭТ в виде двойной экспоненты:

а – временная форма; б – спектр

Возможный диапазон временных параметров данных ЭМИ приведен в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Возможные параметры широкополосных и сверхширокополосных ЭМИ СЭТ

74

Также, некоторыми международными нормативными документами в области ЭМС определены следующие дополнительные типовые формы широкополосных и сверхширокополосных ЭМИ [64]: полупериод синусоиды; период синусоиды. Что касается нормативных документов регламентирующих испытания технических средств на воздействие преднамеренных ЭМИ в РФ, то, например, разработаны и внедрены национальные стандарты ГОСТ Р 51275-2007 «Защита информации. Объект информатизации. Факторы, воздействующие на информацию. Общие положение» [218] и ГОСТ Р 52863-2007 «Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям. Общие требования» [231]. Применительно к автоматизированным системам преднамеренные силовые электромагнитные воздействия рассматриваются как фактор угрозы информации в целях ее уничтожения, искажения или блокирования. Объектом электромагнитного воздействия могут являться информационные системы объекта, системы физической защиты оборудования, поддерживающей инфраструктуры, вспомогательное оборудование, системы электропитания, линии связи и т.д. Наибольший ущерб при преднамеренном электромагнитном воздействии может быть нанесен объектам, у которых автоматизированные системы являются ядром системы с непрерывным процессом обработки потоков информации. Так, например, типовые параметры испытательных ЭМИ по эфиру представлены в табл. 2.9.

75

Окончание табл. 2.9

Внастоящем стандарте регламентированы общие требования

кавтоматизированным системам в защищенном исполнении по ус-

тойчивости к преднамеренным силовым электромагнитным воздей-

ствиям, установлены параметры испытательных воздействий, виды испытаний и степени жесткости испытаний, методы и средства ис-

пытаний, определены порядок проведения испытаний и критерии оценки качества функционирования. Данные о параметрах предна-

меренных силовых электромагнитных воздействий получены на ос-

нове обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведения компьютерного моделирования типовых путей воздействия на типовые элементы автоматизированной систе-

мы с применением излучателей электромагнитного поля, генерато-

ров напряжения или тока с учетом перспектив их развития.

76

2.3. Электромагнитное экранирование стен зданий

Стены зданий и помещений представляют первые рубежи экранирования СВТ от широкополосных электромагнитных воздействий. Обычно, наружные стены зданий строятся из кирпичей, бетона, цемента, шлаковых блоков и железобетонных конструкций. Эти материалы, кроме последнего, в обычном состоянии почти прозрачны для электромагнитных полей частотой 300 МГц и ниже. Исследования, проведенные в Национальном институте стандартов США, указывают на то, что потери в одном слое кирпичной стенки составляют не более 2,5 дБ для высоких частот. На сегодняшний день появились методы позволяющие увеличить эффективность экранирования данных материалов, например, путем ввода в их состав кокс или сажу (снижение объемного сопротивления). Куски кокса (размером 2 см) позволяют добиться экранирования от 60 дБ при 100 КГц до 90 дБ при частоте 1 ГГц на 30 см толщины. Пыль кокса дает экранирование 15 дБ при 100 КГц и 50 дБ при 1 ГГц на 30 см толщины. Изготовление кирпичей, бетона или блоков с содержанием кокса (без ущерба прочности) дает экранирование 10 – 20 дБ на каждые 30 см толщины [3, 85].

Наиболее часто при строительстве зданий используется железобетонные конструкции. Железобетонные стены зданий обладают экранирующим свойством за счет свойств бетона и арматурной сетки входящей в его конструкцию. Используются несколько разновидностей арматурных сеток с различными параметрами. В литературе нет однозначных значений эффективности экранирования данных типов конструкций от различных электромагнитных полей. Также, сложность задачи анализа эффективности экранирования стен зданий повышается при необходимости учета неоднородностей, например, оконных проемов. Данная особенность сильно влияет на показатели эффективности экранирования стен зданий в целом.

С другой стороны, постановка задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри здания, анализ основных широкополосных источников и механизмов их воздействия позволяет выявить следующие особенности данной задачи: источник

77

ЭСР находится внутри здания, является внешним только по отношению к СВТ, т.е. расчет эффективности стен зданий в данном случае не требуется; разряд молнии находится вне здания и при его рассмотрении необходимо учесть экранирующие свойства и различные неоднородности его стен (например, окна). При этом здания могут находиться в области ближней или дальней зоны ЭМИ разряда молнии. Также возможен случай непосредственного воздействия разряда молнии на систему молниезащиты здания; источник ЭМИ высотного ЯВ находится вне здания и при его рассмотрении необходимо учесть экранирующие свойства и различные неоднородности его стен. Практически всегда здания находятся

вдальней зоне воздействия ЭМИ высотного ЯВ. Преимущественно ЭМИ ЯВ поляризована горизонтально; СЭТ могут находиться вне и внутри здания. Поэтому при его рассмотрении необходимо учесть экранирующие свойства и различные неоднородности его стен. СВТ практически всегда находятся в дальней зоне ЭМИ данного источника.

Анализ эффективности экранирования стен зданий предлагается проводить путем расчетов с применением аналитических моделей (для основного материала стен, армирующего материала и учета неоднородностей, например, в виде оконного проема) и численными экспериментами на основе имитационных моделей. В качестве основного инструмента численных экспериментов используется программа моделирования электромагнитных полей в трехмерной области на основе метода конечных интегралов [205, 232 –235]. Также, для анализа эффективности экранирования в ближней зоне,

вчастности при воздействии ЭМИ разряда молнии, в разделе 3.4 монографии разработана методика расчета магнитных полей внутри зданий при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания на основе масштабного физического эксперимента.

Для анализа эффективности экранирования основного мате-

риала стен (бетона) Sb в работе предлагаются следующие матема-

тические модели [76]:

78

где Z0 – волновое сопротивление вакуума (377 Ом); Z1(w) – волновое сопротивление бетона; es – реальная часть комплексной диэлектриче-

ской проницаемости бетона в области низких частот; e∞ – реальная часть комплексной диэлектрической проницаемости бетона в области высоких частот; e1(w) – зависимость реальной части комплексной ди-

электрической проницаемости бетона от частоты; e2(w) – зависимость мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости бетона от частоты; tr – время релаксации; sdc – проводимость бетона в об-

ласти низких частот; seff (w) – эффективная проводимость бетона в зависимости от частоты. Данные математические модели работают

79

в диапазоне частот от 10 МГц до 2 ГГц. На более низких частотах эф-

фективность экранирования бетона не существенна.

Эффективность экранирования армирующего материала железобетонных стен здания Sa(f), как сеточной структуры, можно рассчитать по выражениям [136]:

где S, S1, d – геометрические параметры арматурной сетки; σ, µ – проводимость и магнитная проницаемость материала арматурной сетки; c – скорость света (3·108 м/с). Данных математические модели

80