隨著國(guó)內(nèi)安全形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，武警部隊(duì)擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來(lái)越重，未來(lái)特種、反恐作戰(zhàn)成為主要的作戰(zhàn)形式，利用墻角、掩體隱蔽自己打擊目標(biāo)成為特種、反恐怖作戰(zhàn)中急需解決的問(wèn)題。本文研究瞄系統(tǒng)中的"+";字疊加模塊，采用電子化疊加瞄準(zhǔn)"+"字線，有效克服機(jī)械松動(dòng)或錯(cuò)位現(xiàn)象，降低了震動(dòng)對(duì)射擊精度的影響。通過(guò)字符發(fā)生器產(chǎn)生字符信息，后經(jīng)字符疊加器將"+"字瞄準(zhǔn)指示線與原始視頻疊加，并在顯示視場(chǎng)范圍內(nèi)通過(guò)按鍵控制“+”字線的位置調(diào)節(jié)。與現(xiàn)有輕武器相結(jié)合，有效提高了瞄準(zhǔn)和射擊精度，使射手能在全隱蔽的狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速瞄準(zhǔn)射擊。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
1.1 "+"字線分劃的計(jì)算方法
    本文設(shè)計(jì)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的“+”字分劃適合人慣性瞄準(zhǔn)。由于瞄準(zhǔn)“+”字線是經(jīng)電子化疊加后與目標(biāo)圖像同時(shí)顯示，因此可以將瞄準(zhǔn)“+”字線與目標(biāo)物體視為CCD靶面上的一個(gè)成像整體。只需瞄準(zhǔn)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的分劃點(diǎn)即可。
    瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是針對(duì)部隊(duì)配發(fā)的槍械，彈道固定，彈著點(diǎn)數(shù)據(jù)可參考95式射表得到。該系統(tǒng)設(shè)定的“+”字線中心為100 m瞄準(zhǔn)基線，對(duì)300 m和500 m射擊距離進(jìn)行分劃。利用彈道剛性原理可得300 m與500 m處彈道下降位置。利用光學(xué)成像原理得出彈著點(diǎn)與分劃的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。其中，f′為物鏡焦距，A′和B′到光軸的距離分別等于A和B到光軸的距離h3和h5，則有：

1.2 視頻字符疊加技術(shù)與原理
    “+”字線疊加利用了視頻字符疊加技術(shù)，以一定的透明度顯示指定的“+”字線瞄準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)視頻時(shí)序下完成這些信息數(shù)據(jù)的二維嵌入。待疊加的“+”字線分劃可被認(rèn)為是由許多像素點(diǎn)組成的“+”字形字符點(diǎn)矩陣。
    視頻掃描時(shí)的同步和定時(shí)信號(hào)是顯示過(guò)程中最為重要的因素，數(shù)字信號(hào)處理電路中必須有像素點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，由它控制順序傳輸和讀取數(shù)字視頻信號(hào)，像素點(diǎn)時(shí)鐘的個(gè)數(shù)與顯示器一行內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等。以水平軸表示像素點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，垂直軸表示行同步信號(hào)，建立像素點(diǎn)疊加時(shí)間軸，點(diǎn)時(shí)鐘應(yīng)在行掃描正程時(shí)間52 μs內(nèi)掃描800個(gè)像素，即：
    f=800/52=15.385 MHz(3)    
    為確保疊加時(shí)間軸的坐標(biāo)原點(diǎn)為顯示器上的(0，0)點(diǎn)，必須利用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行定位。同時(shí)，該定位信號(hào)也作為行位置計(jì)數(shù)器的觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)行行同步計(jì)數(shù)，行位置計(jì)數(shù)器控制像素點(diǎn)在顯示器上疊加的垂直位置。
    瞄準(zhǔn)“+”字線疊加是像素點(diǎn)以場(chǎng)疊加的方式進(jìn)行矩陣化疊加。“+”字線各像素點(diǎn)顯示位置與行、場(chǎng)掃描有同樣的映射關(guān)系。主要區(qū)別為：需要在場(chǎng)消隱期對(duì)字符存儲(chǔ)器開(kāi)辟滿場(chǎng)的疊加數(shù)據(jù)空間，將“+”字線點(diǎn)矩陣根據(jù)顯示存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址按標(biāo)準(zhǔn)視頻時(shí)序存入字符存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址空間，在下一場(chǎng)正程掃描時(shí)，將字符存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換后按內(nèi)部時(shí)鐘節(jié)拍輸出，輸出的序列疊加信號(hào)由高電平脈沖組成，可直接接至模擬開(kāi)關(guān)的選通邏輯控制端進(jìn)行信號(hào)切換，疊加生成新的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)輸出。其中，字符在水平和垂直方向上的大小取決于像素點(diǎn)在這兩個(gè)方向上的延伸程度，即由行位置計(jì)數(shù)器重復(fù)計(jì)數(shù)的次數(shù)和列位置延時(shí)器與各行同步脈沖間的最大延時(shí)差決定。
    瞄準(zhǔn)“+”字線字符數(shù)據(jù)在字符存儲(chǔ)器中的存放采用“屏幕存儲(chǔ)映射”方式。這里的“屏幕”并不是指顯示器，而是由顯示存儲(chǔ)器映射出的虛擬存儲(chǔ)空間。一個(gè)顯示存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)顯示器的一個(gè)像素點(diǎn)。因此，瞄準(zhǔn)“+”字線在顯示器上顯示的行列位置取決于它在字符存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)位置。
1.3 “+”字線字符疊加硬件設(shè)計(jì)
    “+”字線疊加模塊由CCD視頻圖像采集器、單片機(jī)、視頻字符疊加芯片、按鍵及相關(guān)電路組成。PC將待疊加字符信息和操作指令實(shí)時(shí)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)軟件模擬的SPI接口控制視頻字符疊加芯片進(jìn)行“+”字線的疊加，并由單片機(jī)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，通過(guò)SPI接口控制視頻字符疊加器實(shí)現(xiàn)“+”字線疊加位置的調(diào)整[1]。實(shí)現(xiàn)字符疊加的電路結(jié)構(gòu)一般包括視頻箝位電路、同步分離電路、視頻疊加時(shí)鐘電路和疊加字符信息處理電路等，它將存儲(chǔ)在ROM中的字符信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭莎B加在視頻信號(hào)上的信息。
    芯片選用MAX7456，它集成了外同步視頻驅(qū)動(dòng)、視頻信號(hào)分離、字符存儲(chǔ)與視頻切換等功能，可方便地以任意字符、尺寸顯示疊加信息[2]，其功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，體積小。
1.3.1 MAX7456硬件電路
    MAX7456硬件電路如圖2所示，MAX7456芯片的引腳CLKIN與XFB之間連接27 MHz晶體振蕩器作為時(shí)鐘輸入信號(hào)，用于視頻定時(shí)發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)序信息；視頻信號(hào)則通過(guò)RC濾波電路接入VIN引腳，由VOUT引腳輸出。

1.3.2 基于AT89C2051單片機(jī)的疊加控制電路
    模塊采用AT89C2051單片機(jī)作為核心控制元件，工作時(shí)鐘頻率為0～20 MHz。由于單片機(jī)不支持SPI串行接口，因此需要利用其I/O端口，通過(guò)軟件模擬SPI總線。引腳P1.2、P1.3、P1.4和P1.5用來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)SPI總線接口功能[3]。
    (1)AT892051與MAX7456芯片的硬件連接。由單片機(jī)連接控制MAX7456芯片，完成“+”字分劃的疊加和位置調(diào)整。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示，將它的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引腳分別與MAX7456 SPI接口的引腳SDOUT、SCLK、SDIN、CS對(duì)應(yīng)連接，進(jìn)行MAX7456芯片的配置和寄存器的讀寫。

    單片機(jī)的P3.2~P3.5及P3.7分別連接5個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)為“+”字瞄準(zhǔn)線的上、下、左、右移動(dòng)按鍵和位置確認(rèn)按鍵。
    (2)電平轉(zhuǎn)換電路。PC串口通信使用RS-232協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]，因與單片機(jī)使用的電平種類不一致，無(wú)法直接進(jìn)行串口通信，故選用MAX323芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該芯片采用專有低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電荷泵在3.0 V~5.5 V電源供電時(shí)，實(shí)現(xiàn)了RS-232性能。外圍器件僅需4個(gè)0.1 μF小尺寸電荷泵電容，能夠確保在120 kb/s數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平，同時(shí)具有2路接收器和2路驅(qū)動(dòng)器[5]，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。電路連接如圖4所示，PC通過(guò)TX1發(fā)送信息輸入MAX3232的R1_IN完成電平轉(zhuǎn)換，由R1_OUT輸出送入AT89C2051的RXD，即可實(shí)現(xiàn)與PC的串口通信并完成程序下載。

    (3)視頻保護(hù)電路。視頻保護(hù)電路可防止外部電壓異常而損壞電路板，每個(gè)視頻輸入和輸出信號(hào)分別通過(guò)一個(gè)二極管正向接到電壓端通過(guò)另一個(gè)二極管反向接到地端。當(dāng)端口電壓過(guò)高時(shí)，正向二極管導(dǎo)通，電流通過(guò)正向二極管釋放；當(dāng)端口電壓為負(fù)時(shí)，反向二極管導(dǎo)通，電流通過(guò)反向二極管釋放。這樣，內(nèi)部電路就不會(huì)因?yàn)橥獠慨惓ｋ妷憾鴵p壞。
2 “十”字線疊加軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分主要由PC軟件和單片機(jī)程序構(gòu)成，兩者一起完成字符的疊加和字符位置的移動(dòng)。PC軟件主要完成對(duì)MAX7456字符信息的添加或更改、“+”字線位置的移動(dòng)以及對(duì)模塊的管理。單片機(jī)程序是系統(tǒng)軟件的重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)字符串顯示以及“+”字線的方位移動(dòng)等功能。
    “+”字符疊加顯示流程和控制方位移動(dòng)的流程如圖5所示。由單片機(jī)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，當(dāng)無(wú)檢測(cè)信號(hào)輸入時(shí)，返回檢測(cè)；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，進(jìn)入中斷處理程序。通過(guò)SPI接口對(duì)“+”字線進(jìn)行相應(yīng)方位的移動(dòng)操作，同時(shí)將當(dāng)前位置存儲(chǔ)到Flash中，確保下次啟動(dòng)時(shí)仍處于前一次關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)的位置。

3 實(shí)驗(yàn)
    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀瞄效果、水平瞄準(zhǔn)精度。實(shí)驗(yàn)程序如下：
    (1)瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
    ①視頻瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)皮卡導(dǎo)軌固定于自動(dòng)步槍上，在瞄準(zhǔn)鏡后設(shè)計(jì)有兩英寸的顯示屏，指揮平臺(tái)上也有顯示系統(tǒng)，將它放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。
    ②通過(guò)瞄準(zhǔn)鏡上的控制按鈕使“+”字分劃線居于屏幕顯示的中間。
    ③對(duì)屏幕中視頻“+”字分劃線的疊加效果進(jìn)行觀察。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，從瞄準(zhǔn)鏡可清晰觀察到瞄準(zhǔn)目標(biāo)圖像，有100 m、300 m、500 m三個(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)可調(diào)整分劃位置，達(dá)到了校正目的，瞄準(zhǔn)精度能滿足要求。
    (2)射擊實(shí)驗(yàn)
    組織兩名戰(zhàn)士進(jìn)行步槍100 m實(shí)彈射擊，先使用未安裝瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的步槍進(jìn)行兩組射擊，每組4發(fā)子彈；休息一段時(shí)間后，將步槍安裝瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，再次進(jìn)行兩組射擊，每組4發(fā)子彈。射擊完畢后對(duì)比射擊成績(jī)?nèi)绫?所示。

    對(duì)比結(jié)果是，甲戰(zhàn)士總成績(jī)提高12環(huán)，平均成績(jī)提高2.5環(huán)；乙戰(zhàn)士總成績(jī)提高5環(huán)，平均成績(jī)提高1.25環(huán)。安裝瞄準(zhǔn)鏡后射擊成績(jī)明顯提高。
    研究了視頻瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中“+”字分劃的疊加，實(shí)現(xiàn)功能拐彎射擊，使持槍者在全隱蔽狀態(tài)下瞄準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行射擊。該瞄準(zhǔn)鏡的電子分劃有3個(gè)距離瞄準(zhǔn)點(diǎn)，分劃位置可調(diào)整，瞄準(zhǔn)距離達(dá)到100 ｍ～500 ｍ，提高了射擊精度。
參考文獻(xiàn)
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