Радіотехніка

Реферати

Автори Автори

Методи обчислення системних параметрів для електронного підпису «Сrystals-Dilithium» 128, 256, 384 та 512 біт рівнів безпеки

І.Д. Горбенко

На світовому рівні зусилля значного числа криптологів-теоретиків, математиків та криптологів-практиків зосереджені на відкритому конкурсі NIST PQC. Одним із основних завдань конкурсу є розробка та прийняття постквантового чи постквантових стандартів ЕП. Фіналістами другого етапу конкурсу NIST стали три механізми ЕП – CRYSTALS-DILITHIUM, Falcon та Rainbow. Окрім цього були визначені три альтернативні кандидати, які потребують більш детального дослідження. Всесторонній аналіз фіналістів є важливою задачею для криптологів світової криптоспільноти. Причому, безпека, тобто доведення криптографічної стійкості двох кандидатів-фіналістів на стандарт ЕП – CRYSTALS-DILITHIUM та Falcon, ґрунтується на проблемах з теорії та практики алгебраїчних решіток. Метод (схема) ЕП Dilithium ґрунтується на підході, що отримав назву "Fiat-Shamir з перериваннями". У статті розглядається сутність алгоритму ЕП CRYSTALS-DILITHIUM. Також проводиться детальний аналіз можливих атак на алгоритм та механізми їх реалізації. Розглядаються та аналізуються моделі порушника, загроз та безпеки. Надаються основні визначення щодо моделей безпеки ЕП. Описуються основні елементи конструкції механізму перспективного постквантового ЕП Dilithium в узагальненому вигляді. Наводяться загальні оцінки щодо рівня безпеки ЕП Dilithium. Приводиться обґрунтування та сутність моделей загроз, порушника та безпеки. Досліджується стійкість алгоритму ЕП Dilithium. Метою статті є обґрунтування моделі безпеки, класифікація, первинний аналіз та оцінка відомих атак на криптосистему ЕП CRYSTALS-DILITHIUM, встановлення обмежень та розробка практичних алгоритмів обчислення (генерації) загальносистемних параметрів для забезпечення 128, 256, 384 і 512 біт безпеки щодо класичного та 64, 128, 192 та 256 біт щодо квантового криптоаналізу.

Основні положення щодо моделі безпеки для асиметричних перетворень типу ЕП з урахуванням вимог та загроз постквантового періоду

Ю.І. Горбенко

Наведено результати обґрунтування та розробка пропозицій щодо побудування моделі загроз щодо асиметричних криптоперетворень типу перспективний електронний підпис (ЕП), що може застосовуватись в постквантовий період. Викладено деталізовано узагальнені моделі загроз щодо перспективних ЕП та надається їх оцінка. Запропоновано моделі загроз щодо перспективних ЕП при застосуванні методів та засобів класичного та квантового криптоаналізу, моделі загроз при синтезі та застосуванні ЕП взагалі, а також моделі загроз при
синтезі та застосуванні ЕП в постквантовий період. Формулюються пропозиції до переліку загроз, щодо яких повинен бути забезпечений захист. Перелік можливих загроз безпеці застосування існуючих та перспективних ЕП формується з числа загроз, наявних у IT-Grundschutz Catalogues з урахуванням апаратних, програмних та апаратно-програмних ресурсів, технологій обробки даних та механізмів криптографічного захисту при застосуванні ЕП, в тому числі з урахуванням вимог та умов синтезу перспективних ЕП, та застосуванні ЕП в постквантовий період. Розглядаються поняття EUF-CMA та SUF-CMA безпеки. Наводяться алгоритми роботи кожної із цих схем. Вводиться поняття комплексної моделі безпеки та наводяться її складові. Розглядається модель порушника та її суть. Наводяться основні загрози (атаки) із застосуванням квантових математичних методів, які можуть бути реалізованими на квантовому комп’ютері (звичайно, якщо він буде побудований та доступний для застосування). Наводяться та розглядаються атаки (загрози) стосовно перспективного ЕП. Проводиться аналіз схем підписів на відповідність необхідним моделям безпеки. Надаються основні поняття та визначення (поняття в термінології теорії ігор і т.д.). Вводяться та використовуються поняття «пряма секретність» та «досконала пряма секретність». Проводиться аналіз схем підпису, що є EUF-CMA та SUF-CMA безпечними. Розглядаються схеми підпису, що є залежними від ключів, з ключами, що розвиваються, з точки зору відповідності моделі безпеки EUF-CMA чи SUF-CMA. Також розглядається алгоритм підпису без стану. Наводяться алгоритми роботи таких схем підпису.

Аналіз можливостей та особливості програмування задач криптології на квантовому комп’ютері

Є.Ю. Каптьол

Стаття присвячена деталізації можливостей та особливостей застосування квантового комп’ютера для програмування криптологічних задач, їх демонстрації, обгрунтуванню підходів до аналізу можливостей та вивчення особливостей програмування задач криптоаналізу на квантових комп’ютерах. Проаналізовано можливості та наявність забезпечення для вирішення задач криптоаналізу квантовими методами, а також визначено існуючі обмеження щодо їх використання. Розглянуто особливості та можливості квантового комп’ютера та програмування на квантовому комп’ютері. Також розглянуто можливості застосування квантового комп’ютера для криптоаналізу на прикладі методу Гровера. Наведено сутність методу Гровера та особливості його застосування для криптоаналізу. Наведено приклад його застосування для пошукового простору, що представлений квантовим регістром з 56 кубітів. Розглянуто застосування методу Гровера на квантовому комп’ютері, доступному через хмарний сервіс. Розроблено схеми проведення пошуку методом Гровера для застосування на квантовому комп’ютері, що містять різну кількість ітерацій Гровера для дослідження необхідності проведення повного циклу, можливості зупинки та оцінки результатів пошуку на певному етапі. Розроблені схеми перевірено на квантових комп’ютерах з різною архітектурою та на квантовому симуляторі, що наданий для аналізу схем, призначених для запуску на квантовому комп’ютері. Наведено порівняння очікуваних та отриманих результатів застосування методу Гровера на різних етапах проведення пошуку на квантовому комп’ютері.

Аналіз стійкості постквантового електронного підпису Dilithium до атак на помилки

Ю.І. Горбенко

Проведено аналіз перспективного варіанту постквантового електронного підпису на основі алгебраїчних решіток Dilithium. Головною задачею аналізу є дослідження стійкості до атак на помилки, зокрема диференційних. Спочатку наводяться відомості про саму схему ЕП та її стійкість, атаки на помилки, їх розвиток до диференційних атак на помилки. Розглядаються можливості проведення цих атак та критерії їх успішного виконання. Було виявлено місця алгоритму ЕП, які потребують захисту від атак на помилки, такими є геш-функція (момент звернення та операція множення поліномів), етап завантаження особистого ключа, функція розширення початкового значення. Також повторне використання нонсу та часткове повторне використання нонсу при генерації ключів становить суттєву загрозу; провівши таку атаку, порушник може повністю відновити довгостроковий особистий ключ Dilithium. Сформовано заходи протидії на основі аналізу джерел, наведено їх переваги та негативні ефекти. Методами захисту від таких атак є: повторне обчислення підпису; перевірка підпису після підписання, що є втричі швидшим ніж попередній метод; внесення додаткової випадковості до детермінованої вибірки шуму; перевірка значення секретних та помилкових компонентів (нонсу); обчислення середнього значення та дисперсії вибірки, та їх перевірка на приналежність заданому діапазону. Результати роботи дають дослідникам орієнтир для розробки захищених схем постквантового електронного підпису.

Генерація загальносистемних параметрів для криптосистеми Falcon для 256, 384, 512 біт безпеки

І.Д. Горбенко

На світовому рівні зусилля криптологів-теоретиків, математиків та криптологів-практиків зосереджені на відкритому конкурсі NIST PQC. Одним із основних завдань конкурсу є розробка та прийняття постквантового чи постквантових стандартів ЕП. Фіналістами другого етапу конкурсу NIST стали три механізми ЕП – CRYSTALS-DILITHIUM, Falcon та Rainbow. Окрім цього, були визначені три альтернативні кандидати, які потребують більш детального дослідження. Всесторонній аналіз фіналістів є важливою задачею для криптологів світової криптоспільноти. Причому, безпека, тобто доведення криптографічної стійкості двох кандидатів-фіналістів на стандарт ЕП – CRYSTALS-DILITHIUM та Falcon ґрунтується на проблемах з теорії та практики алгебраїчних решіток. Дослідження показують, що серед схем ЕП на решітках дещо відрізняється від інших кандидатів та має перспективи щодо прийняття в якості стандарту алгоритм Falcon. Основним та домінуючим підходом до проєктування механізму ЕП Falcon є використання перетворення Фіата – Шаміра з перериваннями. Для безпечного використання ЕП Falcon повинні бути знайдені набори загальносистемних параметрів, за яких забезпечується стійкість до всіх відомих та потенційних атак. В процесі формування вимог до ЕП NIST у рамках конкурсу був зацікавлений тільки в наборах загальносистемних параметрів до 256 біт класичної безпеки включно. Проте, на думку авторів, на перспективу доцільним є забезпечення не менше 384 і 512 біт безпеки щодо класичного криптоаналізу та не менше 192 та 256 біт безпеки щодо квантового криптоаналізу. У статті коротко розглядається сутність алгоритму ЕП Falcon. Також проводиться аналіз можливих атак на алгоритм та механізми їх реалізації. Розглядається процес генерації загальносистемних параметрів для 256, 384, 512 біт стійкості. Наводяться висновки та рекомендації. Метою роботи є класифікація та первинний аналіз відомих атак на криптосистему ЕП Falcon, встановлення обмежень та розробка практичних алгоритмів обчислення (генерації) загальносистемних параметрів для забезпечення не менше, ніж 256, 384 і 512 біт безпеки щодо класичного та не менше, ніж 128, 192 та 256 біт безпеки щодо квантового криптоаналізу.

Процеси та методи вибору загальносистемних параметрів перспективного алгоритму електронного підпису на основі алгебраїчних решіток

В.А Кулібаба

Важливою особливістю перехідного та постквантового періоду є застосування нових математичних методів для протидії квантовому криптоаналізу. Особливу увагу світове криптографічне співтовариство приділяє відкритому конкурсу на постквантовий стандарт електронного підпису. Проблемним питанням є доведення стійкості нових математичних методів синтезу перетворень типу електронний підпис, зокрема з використанням алгебраїчних решіток. Проаналізовано існуючі алгоритми електронного підпису 2-го етапу конкурсу NIST. Серед обраних кандидатів на стандарт ЕП два із трьох алгоритмів засновані на алгебраїчних решітках, це CRYSTALS-DILITHIUM та FALCON. NIST випустив заяву про те, що скоріше за все буде обрано один із алгоритмів через однакому математичну базу, що застосовується в обох алгоритмах. Розглядаються основні атаки на алгоритми електронного підпису, засновані на проблемі навчання з помилками, а також параметри алгоритму ЕП Dilithium, що впливають на стійкість та складність перетворень. Розглядаються методи генерування загальносистемних параметрів рівнів стійкості 512 біт класичної та 256 біт квантової безпеки, а також захищеність алгоритму від атак сторонніми каналами. Проаналізовано залежність часу вироблення електронного підпису від ключів. Подано результати обчислень параметрів для рівня стійкості 512/256, а також надано рекомендації щодо вибору загальносистемних параметрів. Розглянуто результати 2-го етапу конкурсу постквантових криптоалгоритмів NIST, а також перспективи стандартизації перетворень типу електронний підпис на 3-му етапі. Зроблено висновки про необхідність більш детального вивчення атак на алгоритми, засновані на проблемі навчання з помилками, а також про важливість генерування загальносистемних параметрів більш високих порядків.

Моделі загроз щодо асиметричних криптоперетворень перспективного електронного підпису

Ю.І. Горбенко

Розглядається поняття моделі загроз, наводяться результати обґрунтування та розробка пропозицій щодо побудування моделі загроз стосовно асиметричних криптоперетворень типу перспективний електронний підпис (ЕП), що може застосовуватись в постквантовий період. Викладені узагальнені моделі загроз щодо перспективних ЕП та дається їх оцінка. Запропоновано моделі загроз щодо перспективних ЕП при застосуванні методів та засобів класичного та квантового криптоаналізу, моделі загроз при синтезі та застосуванні ЕП взагалі, а також моделі загроз при синтезі та застосуванні ЕП в постквантовий період. За результатами аналізу щодо методів синтезу та застосування відомих та перспективних ЕП визначено перелік загроз. Формулюються пропозиції щодо переліку загроз, щодо яких повинен бути забезпечений захист. Перелік загроз визначається за допомогою використання IT-Grundschutz Catalogues бази Германії, і на основі цього формується модель загроз. Визначається, що детально загрози щодо застосування класичного криптоаналізу при синтезі та застосуванні ЕП повинні бути визначеними безумовно. Визначено основні загрози (методи) класичного криптоаналізу, що повинні бути враховані. Розглядаються можливі варіанти атак сторонніми каналами. Наведено основні загрози (атаки) із застосуванням квантових математичних методів, які можуть бути реалізовані на квантовому комп’ютері (звичайно, якщо він буде побудований). Наводиться порівняльний аналіз складності факторизації для класичного та квантового алгоритмів, а також порівняльний аналіз складності алгоритму дискретного логарифмування в скінченому полі на основі решета числового поля та алгоритму Шора. Розглядаються загрози (атаки) на прикладі проблеми стійкості криптоперетворень на основі навчання з помилками (LWE). У цілому атаки на LWE можливо розділити на два великі класи – атаки, що ґрунтуються на переборі та атаки, що ґрунтуються на зведенні решіток. Попередній аналіз дозволяє зробити висновок, що сучасні варіанти механізмів LWE ґрунтуються на поліноміальних кільцях.

Порівняльний аналіз ARX схем шифрування

В.І. Руженцев

Аналізуються ARX алгоритми шифрування, тобто такі, що використовують лише три операції: модульне додавання, XOR додавання та циклічний зсув. Розробляються 16-бітні зменшені моделі найбільш відомих алгоритмів цього класу. Серед цих алгоритмів Salsa, Chacha, Cypress, Speckey, Simon, Chaskey. Деякі з них оперують 4-бітними словами, інші – 8-бітними словами. Шляхом вичерпного пошуку для моделей цих алгоритмів визначаються такі криптографічні показники, як максимальна імовірність проходження різниці (визначає стійкість шифру до атак диференціального криптоаналіза); максимальна імовірність лінійної апроксимації (визначає стійкість шифру до атак лінійного криптоаналіза); нелінійний порядок (визначає стійкість шифру до атак інтерполяційного, алгебраїчного криптоаналіза). Демонструється, що більшість моделей зі збільшенням кількості циклів наближаються за цими показниками до параметрів випадкових підстановок. Визначено, що модель алгоритму Simon не володіє цією властивістю. Запропоновано декілька модифікацій цього алгоритму. Зіставляння кількості потрібних операцій для досягнення показників випадкової підстановки визначило найбільш вдалі ARX схеми. Найбільш ефективною 4-бітовою конструкцією є зменшена модель Chaskey, а найбільш ефективною 8-бітовою – запропонована в роботі модифікація схеми Simon. Показано, що, потенційно ARX схеми з більшим форматом операцій є більш гнучкими та ефективними, оскільки потребують приблизно вдвічі меншої кількості операцій для забезпечення криптографічних показників випадкової підстановки.

Методи та засоби синтезу і генерації сигналів – фізичних переносників даних у сучасних інформаційно-комунікаційних системах

І.Д. Горбенко

Функціонування низки сучасних інформаційно-комунікаційних систем (ІКС) здійснюється в умовах зовнішніх і внутрішніх впливів, обумовлених, з одного боку, дією природних перешкод, перешкод від інших радіотехнічних систем, що функціонують на близьких частотах або в спільній ділянці діапазону частот, з іншого боку, – навмисних завад, створюваних станціями протидії з метою радіоелектронного подавлення діючих систем. До ІКC, особливо, критичного призначення, пред'являються все більш жорсткі вимоги щодо забезпечення ефективності їх функціонування: достовірності і швидкості передачі інформації, живучості, завадозахищеності, інформаційної безпеки. У таких умовах особливого значення набуває наявність і застосування захищених інформаційно-комунікаційних систем. Під захищеністю систем розуміють, перш за все, їх здатність забезпечувати необхідні показники з завадозахищеності, імітостійкості, інформаційної, енергетичної і структурної скритності, швидкості передавання інформації, частотної і енергетичної ефективності. Необхідність застосування захищених радіоканалів змушує дослідників по-новому подивитися на режими функціонування захищених радіоканалів і на аспекти формування і застосування складних сигналів – фізичних переносників даних для таких систем. У роботі представлено концептуальні положення щодо побудови захищених ІКС, які визначають необхідність проведення системної класифікації та уніфікацію інформаційних потоків для вирішення завдань формування та обробки інформації в ІКС, систематизацію моделей, методів, технічних і програмних засобів їх реалізації. Принципи побудови нових технологій в області ІКС повинні охоплювати весь спектр перетворень інформації в комплексі, від джерела до споживача, і повинні бути засновані не тільки на ефективній передачі інформації, але і на забезпеченні скритності, електромагнітної та іншої сумісності, екології, інформаційної безпеки, захищеності від нав'язування (введення в систему) помилкових даних і інше. Показано, що однією зі складних проблем створення захищених ІКС, є синтез системи сигналів – фізичних переносників даних. Наведено аналіз низки систем сигналів (OFDM-сигналів, сигналів з лінійною частотною модуляцією (ЛЧМ), складних нелінійних дискретних сигналів), застосування яких дозволяє поліпшити показники ефективності сучасних ІКС (завадостійкості прийому, інформаційної безпеки, скритності функціонування, захищеності від введення (нав'язування) неправдивих повідомлень, фальсифікації повідомлень; забезпечення цілісності даних, стійкості до міжсимвольної інтерференції, інформаційної ємності системи при обмеженій смузі пропускання, швидкості прийому-передачі даних тощо). У даній роботі на основі дослідження алгебраїчної структури систем нелінійних параметричних нерівностей сформульовані і у загальному виді вирішені задачі синтезу одного з нових класів складних нелінійних дискретних сигналів із заданими кореляційними, ансамблевими і структурними властивостями, – криптографічних сигналів. Представлено принципи побудови і загальна характеристика створеного програмно-апаратного комплексу для синтезу, дослідження властивостей, генерації, обробки та тестування математичних моделей низки класів сигналів-фізичних переносників даних у сучасних ІКС.

Врахування інтерференційної складової в технічному каналі витоку інформації побічного електромагнітного випромінювання відеотракту при рознесених прийомі

В.Р. Воронов

Національними стандартами України, іншими нормативно-правовими документами системи технічного захисту інформації пропонується здійснювати захист відомостей, що становлять державну та іншу таємницю на об'єктах інформаційної діяльності організацій і установ всіх форм власності. Одним з небезпечних технічних каналів витоку інформації є канал побічних електромагнітних випромінювань відеотракту засобів електронно-обчислювальної техніки. Важливим елементом такого каналу є засоби радіо-, радіотехнічної розвідки, що використовуються зацікавленою стороною для перехоплення побічних електромагнітних випромінювань. Одним із напрямів удосконалення застосування засобів розвідки є рознесений прийом побічних електромагнітних випромінювань. При оцінці можливостей рознесеного прийому необхідно враховувати явища інтерференції відбитого від поверхні землі сигналу з сигналом прямого поширення від засобу електронно-обчислювальної техніки до прийомних антен розвідки.

Стаття присвячена аналізу необхідності врахування інтерференційного множника поширення електромагнітних полів при оцінці можливості ведення розвідки побічних електромагнітних випромінювань при рознесеному прийомі. Визначено підходи для врахування чинників впливу на інтерференцію ПЕМВ. Запропоновано складові частини кількісної моделі технічного каналу витоку інформації, що дозволяють проводити врахування факторів, що впливають на співвідношення сигнал/шум сигналу, що сприймається апаратурою розвідки.

Комплексне вирішення проблеми електромагнітної сумісності сучасних інформаційно-комунікаційних систем

І.Д. Горбенко

Проаналізовано проблематику електромагнітної сумісності (ЕМС) інформаційно-комунікаційних систем (ІКС), розрахованих на багато користувачів, що використовують в якості способу надання доступу безлічі абонентів до ресурсів системи кодове розділення, при якому кожен абонент займає всю частотну смугу і весь часовий інтервал. Показано, що проблема електромагнітної сумісності ІКС як можливість безконфліктного існування різних бездротових ІКС в умовах, коли кожна з цих систем має можливість приймати свої сигнали і сигнали інших систем, є однією з найбільш пріоритетних при проєктуванні і експлуатації таких систем. Показана можливість реалізації вимог ЕМС на основі застосування широкосмугових шумоподібних сигналів (ШСС) в якості сигналів синхронізації і сигналів – фізичних переносників даних в умовах різних впливів, що заважають, в тому числі: вузькосмугових, широкосмугових загороджувальних, внутрішньосистемних (імітаційних, ретрансльованих) та інших завад, що створюються сусідніми станціями. Така можливість забезпечується завдяки застосуванню сигналів з великим значенням частотно-часового добутку (бази сигналу) без збільшення тривалості сигналу і пікової потужності випромінювання. На основі використання критерію розрізнення сигналів – мінімуму середньоквадратичної відстані між сигналами (векторами), сформульовані вимоги до синтезу і вибору класів ШСС, що забезпечують виконання вимог ЕМС бездротових систем зв'язку, розрахованих на багато користувачів. В якості сигналів-переносників даних і сигналів синхронізації запропоновано новий клас складних нелінійних дискретних криптографічних сигналів. Показано, що використання таких сигналів внаслідок того, що вони мають поліпшені ансамблеві, кореляційні, структурні властивості, дозволить здійснити комплексне вирішення проблеми ЕМС сучасних ІКС.

Математична модель випадкової підстановки

К.Е. Лисицкий

Обговорюються підходи до відбору випадкових підстановок, засновані на застосуванні системи критеріїв, побудованих з використанням оцінок близькості законів розподілу XOR таблиць і таблиць зміщень лінійних апроксимацій підстановок теоретичним законам, притаманним випадковим підстановкам. Відзначається їх неконструктивність. Неясно, які ж показники відбору є кращими.

Викладається сутність уточненої нами методики визначення законів розподілу максимумів для великих за обсягом вибірок незалежних однаково розподілених випадкових величин. Відзначається, що розподіл максимумів великих за обсягом вибірок незалежних однаково розподілених випадкових величин добре вивчено в теорії ймовірностей і описується розподілом екстремальних значень Фішера – Тіппета або log-Вейбула. Методика застосовується для визначення законів розподілів максимумів XOR таблиць і максимумів зсувів таблиць лінійних апроксимацій вибірки з байтових випадкових підстановок. Результати розрахунків порівнюються з результатами експериментів. Результати розрахунків і експериментів свідчать про те, що в обох випадках розподілу концентруються навколо досить виражених максимумів з цілком певними одними і тими ж найбільш ймовірними значеннями, що дозволяють вважати, що випадково згенеровані підстановки з великою ймовірністю будуть за значеннями максимумів мало відрізнятися один від одного.

На основі отриманих результатів пропонується уточнене визначення випадкової підстановки, яке будується на властивостях вибірки випадкових підстановок.

Відзначається, що застосування випадкових підстановок призводить до збільшення числа циклів приходу шифрів до стану випадкової підстановки на один цикл.

Робиться висновок, що випадкові підстановки, взяті з виходу генератора випадкових підстановок без всяких обмежень, цілком можуть конкурувати з кращими відомими конструкціями S-блоків, що використовуються в сучасних шифрах. Збільшені в порівнянні з граничними значення максимумів, до яких прагнуть автори більшості робіт з пошуку S-блоків з поліпшеними показниками, можуть бути компенсовані використанням в шифрі циклових функцій зі збільшеним числом S-блоків, що активізуються, на перших циклах.

Обробка сигналів при пеленгації і визначенні дальності до малорозмірних БПЛА в оптичному і інфрачервоному діапазонах

И.В. Корытцев

Виявлення та оцінка координат БПЛА має вирішальне значення для захисту від їх несанкціонованого застосування в охоронюваних зонах. В роботі розглядається задача вибору алгоритму і параметрів обробки відеозображень стереопари в видимому, ближньому або дальньому інфрачервоному діапазонах для надійного визначення координат малих БПЛА, їх подальшого автосупроводу і оцінки параметрів руху. Проведено теоретичний аналіз можливостей оптичного методу двоканального стереовідеоспостереження. Представлено результати натурних експериментів з визначення координат малого БПЛА DJI Phantom 4 за допомогою системи стереовідеоспостереження на основі IP камер. Проведено калібрування зовнішніх і внутрішніх параметрів системи стереовідеоспостереження з урахуванням нелінійних спотворень об'єктивів. Калібрування камер здійснювалася в OpenСV за допомогою функції, заснованої на методах Zhang і Bouguet. Визначено теоретичні та практичні похибки вимірювання дальності до тестових об'єктів при їх різних положеннях. Описано алгоритм обробки зображень системи стереовідеоспостереження для виявлення, розпізнавання і вимірювання координат БПЛА. Наведено результати вимірювань координат БПЛА у двох тестових польотах. Вимірювання істинних координат БПЛА здійснювалося за даними бортового GPS приймача. Результати вимірювання азимута і кута місця БПЛА системою стереовідеоспостереження добре збігаються з даними GPS приймача. Це пояснюється високою роздільною здатністю камер і точним калібруванням їх внутрішніх параметрів. Середньоквадратична відносна похибка вимірювання дальності склала близько 10 %. Вказано шляхи для поліпшення точностних показників систем стереовідеоспостереження БПЛА.

Дослідженнефективності детектування та розпізнавання зображень дронів за відеопотоком

О.В. Зубков

Розроблено та експериментально протестовано алгоритм обробки відеопотоку стаціонарної відеокамери. Він складається з етапів виявлення рухомих об'єктів і класифікації цих об'єктів з використанням нейронної мережі. Для виявлення рухомих об'єктів використано методи виділення рухомих об'єктів на нерухомому фоні і аналізу історії руху. На підставі експериментальних даних проаналізовано ефективність застосування моделей заднього фону зображень MOG, MOG2, KNN, GMG, CNT, GSOC, LSBP для вирішення поставленого завдання. Сформульовано рекомендації щодо вибору параметрів цих моделей. Критеріями вибору були: забезпечення високої швидкодії і низький рівень шумів. Для класифікації рухомих об'єктів створено і навченомоделі повнозв'язних і згортальних нейронних мереж, що дозволяють класифікувати 12 типів рухомих об'єктів. Для навчання нейронних мереж створено набори зображень: дронів, фрагментів листя дерев, трави, хмар і комах. На підставі результатів навчання та тестування мереж надано рекомендації до числа шарів мереж, числу нейронів в шарі, кількості згорток для досягнення максимальної швидкодії і точності розпізнавання. Порівняльний аналіз точності класифікації дронів із застосуванням повнозв'язних і згортальних мереж при обробці експериментальних даних довів ефективність застосування згортальних мереж. Побудовано залежність точності виявлення дрона від розміру зображення і, відповідно, від дальності до цього дрона.

Аналіз частотно-часової структури акустичних шумів малих автоматичних аеросистем

В.И. Леонидов

Формулюється постановка завдання виявлення малих автоматичних аеросистем (дронов), обґрунтовується доцільність побудови системи виявлення дронів на принципі прийому й аналізу акустичних сигналів, що випромінюються дронами під час виконання ними польотного завдання.

Дослідження часових флуктуацій періоду акустичних сигналів дрона проводиться методом модельно-кореляційного аналізу, у результаті якого формуються тривимірні структури: час – період – коефіцієнт кореляції акустичного сигналу з моделлю у вигляді обмеженої в часі синусоїдальної функції.

Отримані структури формуються у вигляді матриць значень коефіцієнта кореляції.

Члени, які розташовуються уздовж стовпців, розраховані при часовому зрушенні модельної функції уздовж вибірки сигналу. Члени в кожному стовпці розраховані при постійному, заданому з ряду значень, періоді модельної функції.

Показано, що коефіцієнти кореляції між рядками матриць, розрахованих по сигналах дрона значно більше, ніж ті ж значення, що отримані по вимірах фонового шуму. Функції, що показують зміну в часі коефіцієнтів кореляції між рядками матриць структур час – період для сигналів дрона й фонового шуму, не перетинаються й показують стійко більшу різницю коефіцієнтів кореляції, що дозволяє використати коефіцієнт кореляції як ознака що класифікує при розпізнаванні сигналів дрона

Оптико-електронні методи виявлення повітряних об’єктів та вимірювання їхніх координат

В.М. Карташов

Проведено аналіз оптико-електронних методів (ОЕМ) з метою вибору і дослідження ОЕМ, здатного вирішувати завдання виявлення і визначення координат малих безпілотних літальних апаратів. Для даного застосування розглянуто різні ОЕМ вимірювання дальності до об'єктів. Оптико-електронні методи (ОЕМ) в режимах вимірювань характеризуються високою точністю, що обумовлює їх успішну інтеграцію з радіоелектронними комплексами різного призначення. Авторами запропоновано класифікувати ОЕМ за фізичним принципом на дві великі групи: активні і пасивні ОЕМ вимірювання дальності. Оцінено інтерференційні і модуляційні методи. Розглянуті активні методи мають високу точність, але вимагають значних енергетичних витрат і не забезпечують скритність роботи. Більш глибоко розглянуто пасивні ОЕМ вимірювання дальності. ОЕМ з матричними сенсорами поділяються на однокамерні і стереоскопічні. Особливий інтерес представляють методи, які не потребують участі зорового апарату людини в знятті вимірювальних відліків і забезпечують повну автоматизацію прийняття рішення. Розглянуті фоточутливі сенсори, що виявляють повітряні об'єкти, як вдень, так і вночі, мають матричну структуру і можуть бути інтегровані в єдину оптико-електронну систему виявлення і вимірювання дальності. Перевагою матричних ОЕМ є можливість одночасного використання всіх трьох датчиків денного, нічного та теплового бачення, що дозволить проводити надійне виявлення, розпізнавання та вимірювання координат малих повітряних об'єктів.

Особливості застосування теореми відліків при обробці вузькосмугових радіосигналів з відомою центральною частотою спектра

Е.В. Рогожкин

Представлено варіант дискретизації вузькосмугових радіосигналів з відомою центральною частотою спектра, який дозволяє значно зменшити обсяг обчислювальних операцій при обробці таких сигналів без істотних втрат інформації про їхні параметри. У даному випадку вузькосмужність визначається співвідношенням ширини спектру прийнятого радіолокаційного сигналу та робочої частоти підсилювача проміжної частоти, з виходу якого сигнал надходить до аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Проведено дослідження запропонованого способу дискретизації, в якому частота слідування опитувальних імпульсів АЦП визначається частотою опорного сигналу задаючої системи когерентної РЛС і вибирається за величиною кратно нижче робочої частоти підсилювача проміжної частоти. Синхронізація опитувальних імпульсів АЦП організована так, що будь-які два сусідніх відліки є квадратурно пов'язаними. Така процедура дозволяє визначити амплітуду і фазу сигналу, що відповідають кожному відліку. Тим самим створюються умови для визначення доплерівського зсуву і параметрів огинаючої сигналу. Наведено результати розрахунку відносної похибки визначення амплітуди сигналу, яка утворюється в результаті незбігу частоти прийнятого сигналу з частотою опорного сигналу. Для реальних
випадків вона не перевищує 1 % і залежить від характеристик РЛС (довжина зондуючої хвилі, кратність між значенням проміжної частоти, на якій ведеться обробка, і значенням частоти відліків), а також від величини
радіальної швидкості об'єкта і початкової різниці фаз між сигналом на виході підсилювача проміжної частоти й опорним сигналом. Показано, що такий підхід до перетворення сигналу в цифровий формат може бути застосований і для сигналів з фазовою (0, π) маніпуляцією, якщо тривалість елементів коду суттєво більше періоду опорної частоти.

Предикатна модель процесних знань при виявленні і розпізнаванні протяжних об'єктів типу хмари, «ангел-луна» в оглядових РЛС

С.В. Солонская

Розроблено предикатну модель процесних знань міжперіодної обробки радіолокаційних сигналів при виявленні і розпізнаванні протяжних об'єктів і метод прийняття рішень, заснований на прецедентах. Наведено основні особливості і структурні елементи моделі процесних знань. Показано, що переваги даної моделі пов'язані з можливостями конфігурації і ієрархічного представлення процесу з вивчення можливих структур одиночних або груп імпульсних сигналів в межах однієї зони огляду РЛС на основі інтелектуального аналізу сигналів з використанням алгебри кінцевих предикатів. Показано, як цей підхід може використовуватися для автоматизації процесу виявлення і розпізнавання протяжних об'єктів типу хмари, атмосферні неоднорідності типу «ангел-луна». Розроблено метод обробки процесних знань як інструмент для створення універсальних алгоритмів міжперіодной обробки сигнальної інформації для забезпечення ефективного виявлення і розпізнавання різних протяжних об'єктів, в тому числі атмосферних неоднорідностей типу «ангел-луна», за рахунок накопичення як сигнальної (енергетичної), так і логічної інформації в комірці, що аналізується, та в її околу. В розроблену технологію входять процедури формалізації та аналізу символьної моделі спостережуваних об'єктів для прийняття рішень, заснованих на прецедентах. Залежно від типів зв'язків, які використовуються в моделі, розрізняють класифіковані і функціональні мережі, де використовуються деякі елементи логічних і мережевих моделей. З логічних моделей запозичена ідея правил виведення або вирішального правила, а з мережевих моделей – опис знань у вигляді семантичної нейронної мережі. У цієї комбінованої моделі явно виділена процедурна інформація. Замість логічного висновку з'являється висновок або вирішальне правило на знаннях. В результаті рішення системи предикатних рівнянь процесних знань знаходимо місце, геометричні розміри і вид символьної моделі протяжного об'єкта.

Методи комплексної обробки та інтерпретації радіолокаційних, акустичних, оптичних і інфрачервоних сигналів безпілотних літальних апаратів

В.М. Карташов

Безпілотні літальні апарати (БПЛА) знаходять широке застосування при вирішенні широкого спектра корисних завдань, а з іншого боку, вони здатні нести активну або пасивну потенційну загрозу для різних областей діяльності людини – господарській, повсякденній і військовій. З метою виявлення та вимірювання координат безпілотних літальних апаратів використовують радіолокаційні, акустичні, інфрачервоні і оптичні засоби.

Оскільки області можливостей різних методів не збігаються, то з'являється передумова спільного використання систем різного виду для розширення набору вимірюваних параметрів, діапазону спостережуваних діяльностей і підвищення інформативності одержуваних даних шляхом сумісній (комплексній) їх обробки. Комплексна обробка сигналів різних інформаційних каналів може здійснюватися як на етапі виявлення, так і на етапі вимірювання координат. Причому на етапі виявлення вона найбільш затребувана в силу складності завдання виявлення-розпізнавання.

Число публікацій в даній області постійно збільшується, приділяється увага і комплексним системам, побудованим з використанням різних фізичних сенсорів. Однак ефективність функціонування систем з комплексною обробкою сигналів на практиці є недостатньою.

Стаття присвячена аналізу можливостей комплексних систем з обробкою многомодальної інформації, одержуваної по кожному з використовуваних каналів, а також розробці нових більш ефективних методів комплексування радіолокаційних, оптичних, інфрачервоних і акустичних каналів комплексних систем виявлення і вимірювання координат БПЛА.

Фазові характеристики підсилювача класу Е з різними вихідними ланками

В.Г. Крижановський

Моделюванням та експериментально досліджено залежності зсуву фази від частоти у підсилювачах класу Е з класичною вихідною ланкою та вихідною ланкою з двократним виконанням умов класу Е на навантажувальний імпеданс. Аналітично розглянуто залежність зсуву фази на ключі в номінальному режимі. Досліджено зсув фаз на ключі у субоптимальному режимі роботи підсилювача класу Е, що виникає при зміні робочої частоти. Моделювання проведено методом гармонічного балансу на основі моделі ключа з урахуванням структури потужного польового транзистора – наявність вбудованого антипаралельного діоду, який змінює форму імпульсу напруги на ключі. Враховувались вхідна та перехідна ємності транзистора. Експериментальне вимірювання зсуву фаз проводилось на основі записаних оцифрованих форм напруги на вході та на виході ключа шляхом обчислення фаз перших гармонік напруги за допомогою швидкого перетворення Фурье. Встановлено залежність характеру зміни фази на виході ключа та підсилювача в цілому від виду навантажувальної ланки. Показаний зв’язок зсуву фази на ключі в залежності від годографу навантажувального імпедансу. Для ланки з двократним виконанням умов класу Е, що має петлю на годографі навантажувального імпедансу, залежність зсуву фази на ключі має екстремум, що потенційно надає можливість отримати однаковий зсув фаз на двох частотах робочого діапазону. Це дозволяє управляти фазочастотною характеристикою та груповим часом затримки підсилювача. Знання залежності зсуву фази від частоти дозволяє спростити умови визначення зсуву фази у колі зворотного зв’язку. Отримані результати будуть корисні для проєктування автогенераторів класу Е зі зміною частоти у широкому діапазоні.

Дослідження інерційних характеристик фоторезисторів у фізичному практикумі

А.Н. Андреев

Описано вимірювальний комплекс на базі 32-розрядного мікроконтролера STM32F103VET6 для дослідження люкс-амперної (світлової), частотної та інерційної характеристик фоторезистора при різних законах рекомбінації нерівноважних носіїв заряду, що виникають під дією світла. Розроблена установка підключається до персонального комп'ютера (смартфона) та дозволяє аналізувати фронти наростання і спаду струму фоторезистора, а також визначати час життя надлишкових носіїв заряду при різних рівнях освітленості. На відміну від традиційних методів вимірювання параметрів фоторезисторів, що працюють в динамічному режимі, в запропонованій установці не використовуються осцилограф і окремий модулятор світлового потоку (генератор або переривник), це дозволило істотно зменшити габаритні розміри та собівартість комплексу, а також автоматизувати процес вимірювання. Для визначення частотної характеристики фоторезистора запропоновано використовувати синтезатор частоти, який дозволяє разом з цифро-аналоговим перетворювачем мікроконтролера сформувати амплітудно-модульований світловий потік необхідної частоти і глибини модуляції. Описаний комплекс може бути підключений до мережі інтернет за допомогою Wi-Fi модуля на базі мікроконтролера ESP8266, що дозволяє проводити дослідження в дистанційному режимі. Також передбачена можливість визначати параметри фоторезистора при різних значеннях опору навантаження.

Титул

Автори Автори