СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА
METHOD FOR FUNCTIONAL JAMMING OF DIGITAL ELECTRONIC DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиоэлектронной борьбе, и может преимущественно использоваться для дистанционного функционального подавления электронных цифровых устройств, включая средства вычислительной техники, входящие в состав радио- и оптикоэлектронных систем различного назначения, а также для формирования модели угроз безопасности информации, обрабатываемой на объектах информатизации, вследствие искажения, уничтожения информации или блокирования доступа к ней.
Известен способ функционального подавления электронного устройства, описанный, например, в статье [Панов В.В., Саркисьян А.П. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения // Зарубежная радиоэлектроника. - 1993. - №10-12. - С.3-11]. Данный способ (аналог) основан на формировании одиночного короткого, например нано- или субнаносекундного, электромагнитного импульса (ЭМИ) и излучении его в направлении на подавляемое электронное устройство.
При облучении электронного устройства импульсом происходит функциональное подавление этого устройства из-за возникающих изменений электрофизических параметров его полупроводниковых элементов - транзисторов, диодов и т.п. Например, транзисторы могут выходить из строя вследствие тиристорного эффекта электрического «защелкивания», благодаря наведению облучающим импульсом высоковольтного напряжения на затворе транзистора [Антипин В.В., Годовицин В.А., Громов Д.В., Кожевников А.С. и др. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы // Зарубежная радиоэлектроника. - 1995. - №1. - С.37-53]. Преимущество данного способа состоит в том, что он универсален в отношении типов подавляемых электронных полупроводниковых устройств, поскольку эффективность его применения не зависит от принципа функционирования этих устройств, а определяется только типом (конструкцией) входящих в него полупроводниковых элементов. Недостаток способа состоит в том, что для функционального подавления требуется весьма высокий уровень пиковой амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого облучающим ЭМИ в месте расположения подавляемого электронного устройства. В условиях ограничений на излучаемую энергию это приводит к сравнительно малой дальности действия генерирующих установок, реализующих данный способ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ (прототип) функционального подавления электронного цифрового устройства, описанный, например, в статье [Вдовин В.А., Кулагин В.В., Черепенин В.А. Помехи и сбои при нетепловом воздействии короткого электромагнитного импульса на радиоэлектронные устройства // Электромагнитные волны и электронные системы, - 2003. - Т.8. - №1. - С.64-73]. Способ предназначен для подавления специальных электронных устройств - цифровых устройств, генерирующих и использующих в своей работе опорный тактовый сигнал.
Данный способ основан на формировании не одного, а последовательности коротких, например нано- или субнаносекундных, ЭМИ с пониженной (по сравнению со способом-аналогом) амплитудой и излучении их в направлении на подавляемое электронное цифровое устройство. При облучении устройства импульсами происходит его функциональное подавление из-за сбоя фазы опорного тактового сигнала и, соответственно, нарушения синхронизации цифровых каналов устройства. В отношении типов подавляемых электронных устройств данный способ-прототип менее универсален, чем способ-аналог, поскольку предназначен для подавления только электронных устройств цифрового типа, использующих опорные тактовые сигналы. Однако при реализации способа-прототипа требуются гораздо меньшие (в ряде случаев в десятки и сотни раз) уровни пиковой амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого облучающими ЭМИ. Вследствие этого при равных энергетических возможностях установок, генерирующих ЭМИ, дальность действия устройств, реализующих способ-прототип, значительно больше, чем устройств, реализующих способ-аналог.
Однако способ-прототип недостаточно эффективен, поскольку в ряде случаев функциональное подавление так и не достигается, что обусловлено вероятностным характером сбоя фазы опорного тактового сигнала [Вдовин В.А., Кулагин В.В., Черепенин В.А. Помехи и сбои при нетепловом воздействии короткого электромагнитного импульса на радиоэлектронные устройства // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - Т.8. - №1. - С.64-73].
Эффективность функционального подавления может быть повышена за счет повышения вероятности сбоя фазы. Однако в способе-прототипе это может быть достигнуто только энергетическим методом - за счет увеличения пиковой амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого облучающими ЭМИ, что в ряде случаев неприемлемо из-за отсутствия энергетических ресурсов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вероятности сбоя фазы опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства без увеличения пиковой амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого облучающими ЭМИ.
Указанный результат достигается тем, что в способе функционального подавления электронного цифрового устройства, основанном на формировании последовательности коротких, например нано- или субнаносекундных, ЭМИ и излучении их в направлении на подавляемое устройство, последовательность ЭМИ формируют с пошагово возрастающей или убывающей длительностью паузы между соседними ЭМИ; при этом минимальный размах изменения длительности паузы выбирают, не меньшим, чем длительность периода опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства, а максимальный шаг изменения - не большим, чем длительность фронта этого опорного тактового сигнала.
Сущность изобретения заключается в формировании последовательности ЭМИ с не постоянной, а переменной, причем или монотонно возрастающей, или монотонно убывающей, длительностью паузы между соседними ЭМИ. За счет переменной длительности паузы парируется случайная временная задержка между фронтом (передним или задним) электрического поля, создаваемого очередным ЭМИ в последовательности ЭМИ, и аналогичным фронтом (соответственно передним или задним) напряжения опорного тактового сигнала цифрового устройства, облучаемого ЭМИ.
При выбранных параметрах пошагового изменения длительности паузы между соседними ЭМИ (а именно: размах изменения длительности паузы - не меньше, чем длительность периода опорного тактового сигнала, шаг изменения длительности паузы - не больше, чем длительность фронта этого опорного тактового сигнала), хотя бы для одного ЭМИ в сформированной последовательности ЭМИ произойдет совмещение во времени (синхронизация) переднего (или заднего) фронта электрического поля, создаваемого этим ЭМИ, с передним (соответственно задним) фронтом напряжения тактового сигнала. Такая синхронизация обеспечивает усиление воздействия электрического поля, создаваемого ЭМИ, на напряжение тактового сигнала, в результате чего возникает бросок напряжения: на переднем фронте такта в направлении увеличения напряжения, на заднем фронте такта в направлении уменьшения этого напряжения. В обоих случаях это приводит к нештатной ситуации - досрочному завершению такта, т.е. к сбою фазы такта и последующему негативному нарушению синхронизации цифровых каналов электронного устройства в целом.
Примеры сбоя фазы такта для одного частного случая, когда длительность импульса, облучающего подавляемое устройство, намного меньше длительности фронта опорного тактового сигнала, приведены в статье [Вдовин В.А., Кулагин В.В., Черепенин В.А. Помехи и сбои при нетепловом воздействии короткого электромагнитного импульса на радиоэлектронные устройства // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - Т.8. - №1. - С.64-73].
Поскольку начальная фаза такта заранее неизвестна, то для обеспечения синхронизации фронтов в заявляемом способе предлагается осуществить пошаговую процедуру последовательного перебора возможных значений длительности паузы между соседними ЭМИ в последовательности ЭМИ. При этом гарантированность синхронизации фронтов достигается за счет соблюдения параметров перебора - установленными минимально допустимым значением размаха и максимально допустимым значением шага изменения длительностей паузы между импульсами. В результате парируется вероятностный характер наложения фронтов, присущий способу-прототипу. Поэтому сбой фазы такта в заявляемом способе достигается практически со 100-процентной вероятностью.
Для пояснения физической сущности явления, положенного в основу заявляемого способа, на фиг.1 приведена временная диаграмма для наглядного пояснения возможных случаев взаимного расположения фронтов одиночного ЭМИ и фронтов опорного тактового сигнала. Эта диаграмма демонстрирует две ситуации:
- первую, в которой однотипные фронты (передний-передний или задний-задний) совмещаются;
- вторую, в которой однотипные фронты не совмещаются или совмещаются только разнотипные фронты (например, задним с передним).
На диаграмме показаны взаимные положения фронтов электрических полей трех отдельных (не в последовательности) облучающих ЭМИ, имеющих вид коротких цугов (одного периода синусоиды), а также фронтов напряжения тактового сигнала, такты которого имеют трапециидальный вид. На фиг.1 обозначены:
1 - задний фронт напряженности электрического поля, создаваемого первым ЭМИ;
2 - задний фронт напряжения тактового сигнала в первом такте;
3 - задний фронт напряжения тактового сигнала во втором такте;
4 - задний фронт напряженности электрического поля, создаваемого вторым ЭМИ;
5 - передний фронт напряжения тактового сигнала в четвертом такте;
6 - задний фронт напряженности электрического поля, создаваемого третьим ЭМИ.
Из фиг.1 видно, что задний фронт напряженности электрического поля первого ЭМИ 1 не совмещен (на фигуре - не пересекается) с задним фронтом опорного тактового сигнала в первом такте 2, поскольку они разнесены во времени t; в результате сбой фазы такта не происходит.
Кроме того, видно, что задний фронт напряженности электрического поля второго ЭМИ 4 совмещен с задним фронтом опорного тактового сигнала во втором такте 3; в результате происходит сбой фазы такта.
Из фиг.1 также видно, что задний фронт напряженности электрического поля третьего ЭМИ 6 совмещен не с задним, а передним фронтом опорного тактового сигнала в четвертом такте 5. Поскольку совмещены разнотипные фронты, то сбой фазы такта не достигается.
Для повышения степени воздействия электрического поля, создаваемого ЭМИ, на напряжение тактового сигнала целесообразно укорочение фронта импульса. Поэтому в заявляемом способе рекомендуется применять достаточно короткие импульсы с нано- или субнаносекундной длительностью.
Для демонстрации условий совмещения переднего (заднего) фронта опорного тактового сигнала с однотипным фронтом ЭМИ, входящего в последовательность ЭМИ, служит временная диаграмма, приведенная на фиг.2.
На этой диаграмме буквами «а…е» обозначены следующие случаи взаимного положения ЭМИ и опорных тактовых сигналов (отметим, что в целях предотвращения загромождения на фиг.2 нижние, с отрицательной полярностью, «половинки» ЭМИ и опорных тактовых сигналов не показаны):
а) приведены номера временных тактов опорного тактового сигнала подавляемого цифрового устройства;
б) приведен случай равенства периода следования ЭМИ (изображены в виде малых «треугольников») и длительности опорного тактового сигнала (изображен в виде последовательности «трапеций»), причем фронты ЭМИ ни в одном такте не совпадают с фронтами тактового сигнала и, следовательно, отсутствует сбой фазы такта; при этом длительность паузы между ЭМИ постоянна;
в) приведен еще один случай равенства периода следования ЭМИ и длительности опорного тактового сигнала, причем также фронты ЭМИ ни в одном такте не совпадают с фронтами тактового сигнала и, следовательно, отсутствует сбой фазы такта; при этом длительность паузы между ЭМИ постоянна;
3
1
1
г) приведен случай пошагового увеличения длительности паузы между соседними ЭМИ, при котором на третьем шаге (П=П+3δП, где П - начальная длительность паузы между первым и вторым ЭМИ, δП - шаг изменения длительности паузы) в пятом такте задний фронт одного ЭМИ совпал с задним фронтом опорного тактового сигнала (отмечено кружком) и, следовательно, возник сбой фазы в пятом такте;
д) приведен случай, в котором период следования ЭМИ равен удвоенной длительности опорного тактового сигнала, причем фронты ЭМИ не совпадают с фронтами тактового сигнала и, следовательно, отсутствует сбой фазы такта; при этом длительность паузы между ЭМИ постоянна;
3
1
е) случай пошагового, уменьшения длительности паузы между соседними ЭМИ, при котором на третьем шаге (П=П-3δП) в девятом такте передний фронт одного ЭМИ совпал с передним фронтом опорного тактового сигнала (отмечено кружком) и, следовательно, возник сбой фазы в девятом такте.
На фиг.3 и 4 в деталях пояснена связь между требуемым шагом δП изменения (на фиг 3 - увеличения, на фиг.4 - уменьшения) длительности паузы между ЭМИ и длительностью фронта τ опорного тактового сигнала подавляемого цифрового устройства. Здесь в укрупненном виде показаны третий-шестой такты случая «г» (фиг.3) и шестой-одиннадцатый такты случая «е» (фиг.4).
Из анализа фиг.3 и 4 можно сделать следующие выводы.
Во-первых, шаг δП изменения длительности паузы должен быть достаточно малым - не больше, чем длительность фронта т тактового сигнала:
<mrow><mi>δ</mi><mi>П</mi><mo><</mo><mi>τ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
иначе может не произойти совмещения фронта ЭМИ с фронтом опорного тактового сигнала.
0Г
0Г
Во-вторых, общий размах ΔП изменения длительности паузы в формируемой последовательности ЭМИ должен быть не меньше, чем длительность такта Т, т.е. периода опорного тактового сигнала: ΔП≥Т. Таким образом, минимальный общий размах изменения длительности определяется соотношением:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mn>0</mn><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В этом случае (если дополнительно соблюдено условие (а.1)) гарантировано для одного ЭМИ в последовательности ЭМИ произойдет совмещение фронта ЭМИ с фронтом опорного тактового сигнала.
0Г
Если же не выполнить условие (2) и общий размах ΔП выбрать, меньшим, чем Т, то совмещение фронтов не гарантируется, поскольку оно будет зависеть от случайного начального временного положения первого ЭМИ в первом такте.
min
min
Определенная из (2) минимально допустимая величина общего размаха ΔП фактически задает минимально необходимое число N ЭМИ, из которых формируется последовательность ЭМИ:
<mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>δ</mi><mi>П</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mrow><mo>⌊</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mn>0</mn><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>⌋</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где скобками [*] обозначена операция по выделению целой части числа.
Таким образом, предлагаемый новый вид формируемой последовательности импульсов - с переменной, пошагово возрастающей или убывающей от ЭМИ к ЭМИ, длительностью паузы между соседними ЭМИ, а также параметры изменения этой длительности (минимально допустимый размах изменения и максимально допустимый шаг изменения длительности паузы) приводят к повышению вероятности сбоя фазы такта без увеличения пиковой амплитуды напряженности электрического поля, создаваемого облучающими ЭМИ, т.е. без увеличения энергетических затрат.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ функционального подавления электронного цифрового устройства, в котором формируют последовательность нано- или субнаносекундных ЭМИ, излучают их в направлении на подавляемое электронное цифровое устройство, при этом последовательность ЭМИ формируют с пошагово возрастающей или убывающей длительностью паузы между соседними ЭМИ, причем минимальный размах изменения длительности паузы выбирают не меньшим, чем длительность периода опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства, а максимальный шаг изменения длительности паузы - не большим, чем длительность фронта этого опорного тактового сигнала.
Предлагаемое техническое решение имеет «изобретательский уровень», поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций, выполняемых в указанных условиях, а именно: формирование последовательности ЭМИ в заданном виде - с пошагово возрастающей или убывающей длительностью паузы между соседними ЭМИ, а также с указанными параметрами изменения длительности паузы - минимальным размахом, не меньшим, чем длительность периода опорного тактового сигнала, и максимальным шагом, не большим, чем длительность фронта опорного тактового сигнала, приводят к повышению вероятности сбоя фазы опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку для его реализации могут быть использованы стандартные радиоэлектронное оборудование и приспособления, выпускаемые промышленностью и представленные на рынке.
На фиг.5 приведена структурная схема варианта реализации заявляемого способа и применяемых для этого устройств. На фиг.5 обозначено:
7 - антенна;
8 - генератор мощных нано- или субнаносекундных ЭМИ;
9 - программно управляемая линия задержки;
10 - генератор вспомогательных тактовых импульсов.
С помощью генератора вспомогательных тактовых импульсов 10 через программно управляемую линию задержки 9 запускают генератор мощных нано-или субнаносекундных ЭМИ 8 и создаваемую последовательность ЭМИ излучают с помощью антенны 7 в направлении на подавляемое электронное цифровое устройство. При этом с помощью программно управляемой линии задержки 9 по заданному, например, линейному, закону пошагово от такта к такту увеличивают (или в другом варианте способа - уменьшают) период следования вспомогательных тактовых импульсов, создаваемых генератором 10:
<mrow><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>η</mi><mn>1</mn></msub><mo>±</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>δ</mi><mi>П</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
n
где η - текущий период следования вспомогательных тактовых импульсов n-ом такте, n=1, 2, 3, …, N, N - общее число тактов;
1
η - начальный период следования вспомогательных тактовых импульсов в первом такте.
n
В результате формируют последовательность мощных нано- или субнаносекундных ЭМИ с пошагово увеличивающейся (соответственно уменьшающейся) длительностью П паузы между соседними n-ым и (n+1)-ым мощными ЭМИ:
<mrow><msub><mi>П</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>М</mi><mi>И</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ЭМИ
где τ - длительность ЭМИ.
1
Начальное значение η (в первом такте) периода следования вспомогательных тактовых импульсов определяется параметрами генератора ЭМИ 8:
- в варианте способа, согласно которому пошагового увеличивается длительность паузы между ЭМИ:
<mrow><msub><mi>η</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
- в варианте способа, согласно которому пошагового уменьшается длительность паузы между ЭМИ:
<mrow><msub><mi>η</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
min
где F, F - максимально и минимально допустимые частоты повторения ЭМИ в генераторе ЭМИ 8, входящем в устройство, реализующее заявляемый способ.
При этом шаг δП увеличения (уменьшения) текущего периода следования вспомогательных тактовых импульсов, возбуждающих генерацию мощных ЭМИ, выбирают не большим, чем длительность фронта τ опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства: δП≤τ.
0Г
0Г
Общий размах ΔП изменения длительности паузы в формируемой последовательности ЭМИ выбирают не меньшим, чем длительность периода Т опорного тактового сигнала подавляемого цифрового устройства: ΔП≥Т.
0Г
В отсутствии точной информации о величинах Т и τ используют прогнозные оценки их минимальных значений.
ЭМИ
ЭМИ
Оценку степени повышения вероятности сбоя фазы тактового сигнала проведем для случая мощных ЭМИ, имеющих сверхкороткую длительность τ, намного меньшую, чем длительность τ фронта опорного тактового сигнала подавляемого электронного цифрового устройства: τ<<τ.
В этом случае в способе-прототипе вероятность W сбоя фазы такта в k-м такте, определяемая как вероятность совмещения в этом такте заднего фронта напряженности электрического поля, создаваемого ЭМИ, с задним фронтом такта при случайной начальной фазе в первом такте будет при типовом равномерном законе распределения фазы в пределах значений (0,2π) описываться выражением:
<mrow><mi>W</mi><mo>≈</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mn>0</mn><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>η</mi><mi>к</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
к
где η - текущий в k-м такте период следования мощных ЭМИ.
0Г
к
Например, при τ=10 нс, Т=100 нс, η=99 нс из (8) следует: W≈0,1.
Поскольку в заявляемом способе за счет парирования влияния случайности начальной фазы вероятность W сбоя фазы такта практически равна 1, то повышение вероятности сбоя в заявляемом способе по сравнению со способом-прототипом составит 10 раз.
Это существенно повышает эффективность функционального подавления электронного цифрового устройства. При этом технический результат достигается без увеличения амплитуды генерируемых мощных импульсов, т.е. без увеличения энергетических затрат.