Contribution to the study of the vulnerability of critical systems to Intentional Electromagnetic Interference (IEMI)

Nicolas Mora Parra
2016
may we enjoy the fruits of all these busy years... To my mother, that your prayers show us the way to our victories... To the memory of those who left and the patience of those who stayed. i Les progrès des sources électromagnétiques de haute puissance (HPEM) au cours des années 1990 a soulevé l'inquiétude dans la communauté de la compatibilité électromagnétique (CEM) qu'elles pourraient être déployées pour interférer avec le bon fonctionnement des systèmes électroniques modernes à des fins
more » ... rnes à des fins criminelles. Il est bien établi que les champs électromagnétiques suffisamment intenses peuvent causer des troubles ou des dommages dans les systèmes électroniques et, par conséquent, peuvent affecter presque toutes les infrastructures critiques (IC) qui sont basées sur les technologies de l'information et de la communication (TIC). Ce champ d'étude a d'abord été connu comme le terrorisme électromagnétique, mais ce terme a été changé pour le terme plus englobant interférences électromagnétiques d'origine intentionnelle (IEMI en anglais). La protection contre les menaces IEMI peut être reconnue comme une réminiscence de la période de la guerre froide et les programmes de recherche sur la protection contre les impulsions électromagnétiques de haute altitude (IEM-HA). Les sources IEMI génèrent des perturbations allant de quelques dizaines de MHz à plusieurs GHz. Ces fréquences sont significativement plus élevées que celles associées à la foudre et les IEM-HA, et par conséquent, les méthodes d'analyse et de protection traditionnels doivent être revues. Cette thèse est une contribution aux techniques d'évaluation de la vulnérabilité des IC contre les IEMI. Afin de quantifier leur impact, l'environnement électromagnétique créé par des sources IEMI doit être caractérisé, les composants et sous-systèmes sensibles des IC doivent être identifiés, et les perturbations attendues doivent être évaluées. Les études menées dans cette thèse traitent l'amélioration des méthodes existantes pour l'évaluation générale des risques encourus par les IC, le classement des sources IEMI existantes, ainsi que l'évaluation expérimentale et numérique de la réponse de câbles commerciaux aux IEMI. Nous présentons une méthodologie qualitative pour mener à bien l'audit IEMI d'une installation. Compte tenu de la complexité du problème, il a été décidé que la vulnérabilité d'une infrastructure doit être évaluée de façon qualitative en considérant les conséquences de l'interruption d'un service, la probabilité d'occurrence d'une attaque IEMI, et l'état de préparation des infrastructures pour résister à une attaque. L'objectif principal de cette méthode Résumé ii est de permettre aux opérateurs de prendre des mesures correctives et de mitigation appropriées, d'après les résultats de l'audit IEMI. Il est important de comprendre les capacités techniques actuelles dans le développement de sources IEMI afin de concevoir des stratégies de durcissement adéquates pour les équipements critiques. Nous présentons une analyse actualisée et une classification des sources IEMI potentielles qui ont été recueillies à partir d'un grand nombre de publications scientifiques. Les sources ont été classées en fonction de leur environnement électromagnétique, leur transportabilité, leur développement technologique, et leurs coûts. Il a été constaté que les sources conduites sont plus disponibles que les sources rayonnées. En outre, l'évaluation des sorties maximales attendues de sources HPEM est fait en regardant les limitations physiques du développement des technologies actuelles. Afin d'étudier les caractéristiques spectrales des sources, une méthode analytique est proposée pour l'évaluation du bandratio des signaux en utilisant l'indice de Blumer. Les niveaux de perturbations attendues dues à l'illumination des systèmes de câblage à l'intérieur d'un bureau à des hyperfréquences ont été étudiés par des mesures effectuées à l'aide d'une goulotte en plastique de 2 mètres contenant plusieurs types de câbles trouvés dans les bâtiments commerciaux. La goulotte a été illuminée avec des impulsions HPEM à l'intérieur une cellule GTEM et avec des champs de faible puissance à l'intérieur d'une chambre de réverbération (CR). Les tests ont révélé qu'à des fréquences basses et intermédiaires, les câbles d'alimentation basse tension sont plus sensibles par rapport aux câbles de téléphone ou de réseaux. Aux hautes fréquences, le couplage est dominé par des ouvertures et discontinuités dans les connecteurs et charges de terminaison déséquilibrées. Comme attendu, les meilleurs résultats ont été obtenus avec l'utilisation de paires torsadées blindées. Les fonctions de transfert obtenues peuvent être utilisées pour l'obtention des niveaux de perturbation dans des analyses des risques IEMI pour les différents types de CI. L'un des défis dans le calcul des perturbations IEMI avec l'utilisation de la théorie des lignes de transmission (LT) est la possibilité de définir un conducteur de référence pour l'évaluation des signaux de mode commun et différentiel. Les immeubles contiennent de faisceaux de câbles très longs qui sont généralement flottants à l'intérieur des goulottes ou conduits qui ne sont pas nécessairement à proximité de surfaces métalliques. L'applicabilité de la théorie LT dans l'évaluation des signaux de mode différentiel de lignes à deux fils flottant au-dessus d'un plan de masse a été étudiée grâce à des comparaisons avec des simulations avec des outils full wave. Il a été constaté que la présence du plan de masse peut être négligée dans le calcul de l'impédance caractéristique des lignes, lorsque la hauteur des fils est supérieure à environ deux fois la distance de séparation entre eux. En outre, les résultats ont montré que la validité de la théorie LT est conditionnée à une courte distance électrique entre les fils différentiels, quelles que soient les distances au-dessus du plan de masse. La propagation des signaux IEMI le long de lignes de puissance ou communication est affectée par les effets de dispersion qui atténuent significativement les formes d'onde au-delà d'une certaine distance en raison des pertes en conduction et diélectriques. La théorie LT est utilisée pour évaluer l'effet de ces deux types de pertes dans la dispersion des signaux IEMI injectés le long de câbles de puissance et communication en fonction de la longueur de propagation. Un iii modèle de LT du câblage électrique à basse tension de la goulotte en plastique a été mis au point et afin de valider les modèles, les résultats numériques ont été comparés aux mesures obtenues en utilisant des techniques de domaine fréquentiel et temporel.
doi:10.5075/epfl-thesis-6888 fatcat:gjynikqclra6rn3tgxxwmax7qa