DE19608331C2

DE19608331C2 - Device for measuring the frequency of an input signal and its use for measuring the speed of watercraft

Info

Publication number: DE19608331C2
Application number: DE1996108331
Authority: DE
Inventors: Helmut Schnieber
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: DE19608331A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Frequenz eines Eingangssignals der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung sowie deren Verwendung zur Messung der Geschwindigkeit von Wasserfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 4 bis 6.The invention relates to a device for measuring the Frequency of an input signal in the preamble of Claim 1 defined genus and their use for Measurement of the speed of watercraft according to the The preamble of claims 4 to 6.

In auf Basis des Dopplerprinzips arbeitenden Geschwindigkeitsmessern oder Fahrtmeßvorrichtungen von Wasserfahrzeugen, sog. Dopplerlogs, muß für eine genaue Geschwindigkeitsangabe die Trägerfrequenz der empfangenen Echosignale sehr genau gemessen werden. Das macht Schwierigkeiten, da die Echo- oder Empfangsimpulse wegen kurzer Sendeimpulse relativ kurz sind oder durch Luftblasen unterbrochen werden. Um Überlappungen von Sende- und Empfangsimpulsen zu vermeiden, können aber die Sendeimpulse, insbesondere mit Rücksicht auf die Geschwindgkeitsmessung in Flachwassergebieten, nicht beliebig lang gemacht werden.In working on the basis of the Doppler principle Speedometers or speed measuring devices from Watercraft, so-called Doppler logs, must be accurate Speed indication the carrier frequency of the received Echo signals can be measured very precisely. That makes Difficulties because of the echo or receive pulses short transmission pulses are relatively short or due to air bubbles to be interrupted. To overlap broadcast and Avoid receiving impulses, but can Transmitting impulses, especially with regard to the Speed measurement in shallow water areas, not can be made for any length.

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Frequenzmessung der eingangs genannten Art (DE 25 01 714 C2) wird das auf eine geeignete Zwischenfrequenz herabgemischte Echo- oder Empfangssignal als das zu analysierende Eingangssignal verstärkt, geklippt, und dessen positive Rechteckflanken werden durch getaktete Flip-Flops in Einheitsimpulse umgewandelt. Diese Einheitsimpulse haben damit den Abstand einer Periode der Signalfrequenz des Eingangssignals. Die Einheitsimpulse werden mit Schiebetakt durch ein Schieberegister geschoben. Hat die Signalfrequenz einen bestimmten Wert und der Schiebetakt einen bestimmten Wert, so steht dann, wenn gerade ein neuer Einheitsimpuls in das Schieberegister eingelesen wird, immer der vorhergehende Einheitsimpuls an der gleichen Bitstelle im Schieberegister. Die Bitstelle des Schieberegisters, in dem der Einheitsimpuls steht, ist ein Maß für das Verhältnis von Signal- und Taktfrequenz. Verändert sich die Signalfrequenz so tritt der Einheitsimpuls an einer weiter davor- oder dahinterliegenden Bitstelle des Schieberegisters auf. Aus dieser Verschiebung ergibt sich für jede Verschieberichtung je ein Korrektursignal, das den als VCO aufgebauten Schiebetaktoszillator in Richtung höherer oder tieferer Taktfrequenz verstellt. Dies geschieht so lange, bis sich ein Frequenzteilerverhältnis eingeregelt hat, das durch die Wahl der Bitstellen festgelegt ist. Aus diesem Frequenzverhältnis läßt sich problemlos die Signalfrequenz des Eingangssignals ableiten und daraus über die bekannten Zusammenhänge die Geschwindigkeit bestimmen. Wird dabei das zeitliche Meßfenster des Dopplerlogs für den Echoempfang so gewählt, daß ausschließlich die vom Meeresboden reflektierenden Echos erfaßt werden, so wird die Geschwindigkeit über Grund ausgegeben. Ist das Meßfenster so eingestellt, daß die vom Meeresgrund reflektierten Echos vom Empfang ausgeschlossen werden, so daß die Empfangsechos ausschließlich vom Volumennachhall herrühren, so wird die Geschwindigkeit durch Wasser angezeigt.In a known device for frequency measurement of the type mentioned at the beginning (DE 25 01 714 C2) a suitable intermediate frequency down mixed echo or Receive signal as the input signal to be analyzed reinforced, clipped, and its positive rectangular edges are converted into unit pulses by clocked flip-flops converted. These unit impulses are therefore at a distance a period of the signal frequency of the input signal. The Unit impulses are shifted by a Shift register shifted. Has the signal frequency one certain value and the shift clock a certain value, so it is when there is a new unit impulse in the Shift register is read, always the previous one Unit pulse at the same bit position in the Shift register. The bit position of the shift register in which the unit impulse is a measure of the relationship of signal and clock frequency. Does that change Signal frequency so the unit pulse occurs on another before or after bit position of the Shift registers. From this shift results a correction signal for each shift direction, which the built as a VCO sliding clock oscillator in the direction higher or lower clock frequency adjusted. This happens until there is a frequency divider ratio has regulated that by the choice of the bit positions is set. From this frequency ratio can be easily derive the signal frequency of the input signal and from that about the known connections Determine speed. The temporal Doppler log measurement window for echo reception selected that only those reflecting off the seabed Echoes are detected, so the speed is above ground spent. Is the measuring window set so that the from Echoes reflected off the sea floor are excluded from reception so that the reception echoes are only from Volume reverberation result, so is the speed indicated by water.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Geschwindigkeitsmessungen mit der vorstehend beschriebenen bekannten, als sogenannter Frequenztracker bezeichneten Vorrichtung den heute bestehenden Anforderungen an die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung nicht genügen. So zeigt beispielsweise ein bei an der Pier liegendem Schiff eingeschaltetes, mit der bekannten Vorrichtung ausgerüstetes Dopplerlog im eingeschwungenen Zustand eine Geschwindigkeitsabweichung von bis zu 1,5 kn.Studies have shown that the Speed measurements with the one described above known, known as a so-called frequency tracker Device the current requirements on the Accuracy of the speed measurement is not sufficient. So shows, for example, a ship lying at the pier switched on, with the known device equipped Doppler log in the steady state one Speed deviation of up to 1.5 kn.

Bei einer ebenfalls bekannten, als Frequenztracker konzipierten Meßvorrichtung (US 3 819 920) wird aus ca. 150 Abtastwerten des Eingangssignals, die gleichzeitig im Schieberegister gespeichert sind, die Autokorrelationsfunktion des Eingangssignals gebildet und dann das Maximum des Leistungsdichte-Spektrums der Autokorrelationsfunktion gesucht. Hierzu wird unter der Voraussetzung eines symmetrischen Gauß-Kurvenverlaufs des Leistungsdichte-Spektrums des Eingangssignals die Leistungsdichten bei zwei verschiedenen Frequenzen ermittelt, die in einem Regelkreis so lange variiert werden, bis die Leistungsdichten gleich sind und demzufolge die beiden Frequenzen auf die Maximumfrequenz, bei der das Korrelationsmaximum auftritt, zentriert sind. Die Maximumfrequenz ist dann der Mittelwert der beiden Frequenzen und ist die Signalfrequenz des Eingangssignals.In a likewise known, as a frequency tracker designed measuring device (US 3 819 920) is made of approx. 150 samples of the input signal, which are simultaneously in the Shift registers are stored that Autocorrelation function of the input signal is formed and then the maximum of the power density spectrum Autocorrelation function wanted. For this purpose, the Prerequisite for a symmetrical Gaussian curve Power density spectrum of the input signal Power densities at two different frequencies determined that varies in a control loop so long until the power densities are equal and consequently the two frequencies to the maximum frequency at which the Correlation maximum occurs, are centered. The The maximum frequency is then the mean of the two Frequencies and is the signal frequency of the input signal.

Auch diese Vorrichtung zeigt die vorstehend beschriebenen Nachteile, die allen Frequenztrackern eigen sind, insbesondere die starke Drift eines die Vorrichtung benutzenden Dopplerlogs bei ruhendem Logträger und die relativ große Ungenauigkeit bei der Auswertung von Eingangssignalen mit sehr kurzer Signaldauer. Darüber hinaus ist wegen der erforderlichen Fouriertransformation, der Bildung der Autokorrelationsfunktion und der Berechnung der Leistungsdichten für verschiedene Frequenzen eine große Prozessorleistung erforderlich, die mit entsprechendem Hardwareaufwand verbunden ist.This device also shows those described above Disadvantages common to all frequency trackers especially the strong drift of the device using Doppler logs with the log carrier at rest and the relatively large inaccuracy when evaluating Input signals with a very short signal duration. About that addition, because of the required Fourier transform, the formation of the autocorrelation function and the calculation the power densities are large for different frequencies Processor power required with the appropriate Hardware effort is connected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Frequenz eines Eingangssignals der eingangs genannten Art in der Meßgenauigkeit auch für zeitlich kurze Eingangssignale erheblich zu verbessern, so daß ihre Verwendung zur Messung der Geschwindigkeit von Wasserfahrzeugen in Verbindung mit sog. Dopplerlogs, bei welchen in der Regel nur kurze Echoimpulse zur Auswertung zur Verfügung stehen, zu einer höheren Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung führt.The invention has for its object a device for measuring the frequency of an input signal of the input mentioned type in the measurement accuracy even for short time To significantly improve input signals so that their Use to measure the speed of Watercraft in connection with so-called Doppler logs, at which are usually only short echo pulses for evaluation are available to a higher accuracy of the Speed measurement leads.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. der Ansprüche 4 bis 6 gelöst.The object of the invention is through the features of Claim 1 and claims 4 to 6 solved.

Die erfindungsgemäße Frequenzmeßvorrichtung hat den Vorteil, daß zur Frequenzberechnung nicht das gesamte, im Eingangssignal vorhandene Frequenzspektrum, sondern nur das Häufigkeitsmaximum der auftretenden Frequenzen und dessen jeweils unmittelbare Umgebung erfaßt und bewertet wird. Das Meßergebnis wird dabei mit äußerst geringem Hardware- und Rechenaufwand (Prozessorleistung) gewonnen. Außerhalb des definierten Frequenzmeßbereichs auftretende Frequenzen werden bereits durch entsprechende Beschränkung der ausgelesenen Bitstellen am Schieberegister eliminiert. Kurzzeitige Frequenzabweichungen bleiben wegen der relativ geringen Belegung der entsprechenden Bitstellen wirkungslos. Im Hinblick auf die Verwendung der Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung in Verbindung mit Dopplerlogs, sind solche extreme Frequenzabweichungen beispielsweise bedingt durch die schräg erfolgende Beschallung, auch akustische Beleuchtung genannt, des Meeresbodens mit den Sendeimpulsen. Innerhalb eines Sendeimpulses rollt der Schall, beginnend mit dem steilsten Einfallswinkel, über die beleuchtete Fläche ab, bis dann eine Phase der konstanten Beschallung folgt. Mit dem Abschalten des Sendeimpulses läuft dann wieder eine Phase der nicht zeitgleichen Beschallung am Meeresboden ab. Dieser Effekt hat größere Frequenzabweichungen im Echosignal zur Folge, die nicht durch die Relativgeschwindigkeit des Schiffes zum Meeresboden bedingt sind und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Frequenzbestimmung automatisch unterdrückt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert eine hohe Frequenzauflösung, die durch die Wahl der Taktfrequenz beeinflußt werden kann, auch - anders als bei sonst bekannten Frequenzmeßverfahren - dann, wenn nur Eingangssignale als Kurzimpulse von wenigen Millisekunden zur Verfügung stehen.The frequency measuring device according to the invention has the Advantage that not the entire frequency calculation in Input signal existing frequency spectrum, but only that Frequency maximum of the occurring frequencies and their immediate surroundings are recorded and evaluated. The Measurement result is with extremely low hardware and Computational effort (processor performance) gained. Outside of defined frequency measuring range occurring frequencies are already limited accordingly by Bit positions read out on the shift register are eliminated. Short-term frequency deviations remain relative due to the low assignment of the corresponding bit positions ineffective. With regard to the use of the device for speed measurement in connection with Doppler logs, such extreme frequency deviations are, for example due to the oblique sound, too called acoustic lighting, of the sea floor with the Transmit pulses. The rolls within a transmission pulse Sound, starting with the steepest angle of incidence, over the illuminated area until then a phase of constant sound reinforcement follows. By switching off the Transmit pulse then runs a phase of not simultaneous sound from the sea floor. This effect results in larger frequency deviations in the echo signal, which are not determined by the relative speed of the ship Seabed are conditional and in the invention Device for frequency determination automatically be suppressed. The device according to the invention delivers a high frequency resolution by the choice of Clock frequency can be influenced, too - unlike at otherwise known frequency measurement methods - if only Input signals as short pulses of a few milliseconds be available.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Frequenz eines Eingangssignals mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.Appropriate embodiments of the invention Device for measuring the frequency of an input signal with advantageous developments and refinements of Invention result from claims 2 and 3.

Bei der gemäß der Ansprüche 4 bis 6 bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Frequenzmeßvorrichtung zur Messung der Fahrgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen durchs Wasser/oder über Grund zeigt die Geschwindigkeitsmessung mit der erfindungsgemäßen Frequenzvorrichtung auf Basis eines von einem sog. Dopplerlog abgenommenen Eingangssignal gegenüber den bisher bekannten Fahrtmessern wesentliche Vorteile. So wird beispielsweise der sog. Piereffekt, d. h. die Drift des Fahrtmessers bei an der Pier festgemachtem oder vor Anker liegendem Schiff, fast gänzlich unterdrückt. Versuche mit der erfindungsgemäßen Frequenzmeßvorrichtung haben hier eine fehlerbehaftete Geschwindigkeitsmessung von deutlich weniger als 0,5 kn ergeben. Weiterhin zeigt das durch die erfindungsgemäße Frequenzmeßvorichtung verbesserte Dopplerlog keine Meßträgheit und damit eine gute Winkelzuordnung bei Rollen und Stampfen des Wasserfahrzeugs. Da alle Echosignale unabhängig voneinander und einzeln bewertet werden, ist es durch einfache Plausibilitätsprüfungen problemlos möglich, schlechte Echobedingungen zu erkennen und die entsprechenden Echosignale auszusondern, so daß sie nicht die Geschwindigkeitsanzeige negativ beeinflussen. Eine solche Plausibilitätsprüfung ist beispielsweise die Betrachtung der Frequenzänderungen im Zeitintervall, die einfach zu realisieren ist, da bei der erfindungsgemäßen Frequenzmeßvorrichtung die Frequenz als Funktion der Zeit ohnehin als Meßgröße zur Verfügung steht.In the preferred use according to claims 4 to 6 the frequency measuring device according to the invention for measurement the speed of watercraft Water / or above ground shows the speed measurement with the frequency device according to the invention based an input signal taken from a so-called Doppler log essential to the previously known travel meters Advantages. For example, the so-called pier effect, i.e. H. the drift of the speedometer when moored to the pier or anchored ship, almost completely suppressed. Experiments with the frequency measuring device according to the invention have a faulty speed measurement of result in significantly less than 0.5 kn. This also shows by the frequency measuring device according to the invention improved Dopplerlog no measurement inertia and thus one good angular assignment when rolling and pounding the Watercraft. Because all echo signals are independent of each other and evaluated individually, it is simple Plausibility checks possible without problems, bad ones Recognize echo conditions and the corresponding Weed out echo signals so that they are not the Negatively affect speed display. Such A plausibility check is, for example, the consideration of frequency changes in the time interval that are simply too is to be realized since the inventive Frequency measuring device the frequency as a function of time is already available as a measured variable.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung 3 dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on one in the drawing 3 illustrated embodiment in the following described. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Frequenz eines Eingangssignals, Fig. 1 is a block diagram of an apparatus for measuring the frequency of an input signal,

Fig. 2 einen Detailschaltplan eines Einheitsimpulserzeugers in Fig. 1. FIG. 2 shows a detailed circuit diagram of a unit pulse generator in FIG. 1.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung zur Messung der Frequenz eines an ihrem Eingang 10 anliegenden Eingangssignals weist einen Verstärker 11, einen Schmitt-Trigger 12, einen sog. Einheitsimpulserzeuger 13 mit den Eingängen 131, 132 und dem Ausgang 133, ein Schieberegister 14, einen Taktfrequenzgenerator 15 zur Erzeugung einer konstanten Schiebetaktfrequenz f_T für das Schieberegister 14, einen Mikroprozessor 16, einen Schreib-Lese-Speicher 17 und einen Interpolator 18 auf, an dessen Ausgang die Signalfrequenz f_S des am Eingang 10 anliegenden Eingangssignals abnehmbar ist. Bei der Anwendung der Frequenzmeßvorrichtung für ein Dopplerlog, liegt am Eingang 10 der Vorrichtung das auf eine geeignete Zwischenfrequenz herabgemischte Echo- oder Empfangssignal des Dopplerlogs als Eingangssignal an und dem Interpolator 18 ist eine Rechenschaltung 19 zur Bestimmung der Geschwindigkeit und eine Geschwindigkeitsanzeige 20 nachgeschaltet.The device shown in the block diagram in FIG. 1 for measuring the frequency of an input signal present at its input 10 has an amplifier 11 , a Schmitt trigger 12 , a so-called unit pulse generator 13 with inputs 131 , 132 and output 133 , and a shift register 14 , a clock frequency generator 15 for generating a constant shift clock frequency f _T for the shift register 14 , a microprocessor 16 , a random access memory 17 and an interpolator 18 , at the output of which the signal frequency f _S of the input signal present at the input 10 can be removed. When using the frequency measuring device for a Doppler log, the echo or receive signal of the Doppler log mixed down to a suitable intermediate frequency is present as an input signal at the input 10 of the device, and the interpolator 18 is followed by a computing circuit 19 for determining the speed and a speed display 20 .

Das am Eingang 10 anliegende Eingangssignal wird in dem Verstärker 11 verstärkt und in dem dem Verstärker 11 nachgeschalteten Schmitt-Trigger 12 geklippt, so daß an dem mit dem Eingang 131 des Einheitsimpulserzeugers 13 verbundenen Ausgang des Schmitt-Triggers 12 ein Rechtecksignal ansteht. Der Takteingang 132 des Einheitsimpulserzeugers 13 ist mit dem Ausgang des Taktfrequenzgenerators 15 verbunden, dessen Taktfrequenz f_T im Beispiel 4 MHz beträgt. Diese Taktfrequenz f_T liegt auch als Schiebetaktfrequenz an dem Schiebetakteingang des Schieberegisters 14.The input signal present at the input 10 is amplified in the amplifier 11 and clipped in the Schmitt trigger 12 connected downstream of the amplifier 11 , so that a square-wave signal is present at the output of the Schmitt trigger 12 connected to the input 131 of the unit pulse generator 13 . The clock input 132 of the unit pulse generator 13 is connected to the output of the clock frequency generator 15 , the clock frequency f _{T of which is} 4 MHz in the example. This clock frequency f _T is also a shift clock frequency at the shift clock input of the shift register 14 .

Der in Fig. 2 detailliert dargestellte Einheitsimpulserzeuger 13 umfaßt zwei einflankengesteuerte D-Flip-Flops 22, 23 und ein UND-Gatter 24. Der D-Eingang des ersten Flip-Flops 22 bildet den Eingang 131 des Einheitsimpulserzeugers 13, während der Q-Ausgang des Flip-Flops 22 mit dem D-Eingang des zweiten Flip-Flops 23 und mit einem Eingang des UND-Gatters 24 verbunden ist, dessen anderer Eingang an dem Q-Ausgang des D-Flip-Flops 23 liegt. Der Ausgang des UND-Gatters 24 bildet den Ausgang des Einheitsimpulserzeugers 13. Die beiden Triggereingänge der D-Flip-Flops 22, 23 sind mit dem Takteingang 132 des Einheitsimpulserzeugers 13 verbunden und liegen damit am Ausgang des Taktfrequenzgenerators 15. Mit Hilfe des ersten D-Flip-Flops 22 wird das am Eingang 131 des Einheitsimpulserzeugers 13 liegende Rechtecksignal mit dem Takt des Taktfrequenzgenerators 15 synchronisiert. Das zweite D-Flip-Flop 23 verschiebt das Rechtecksignal um einen Takt des Taktgenerators 15, und durch die Verknüpfung des Q-Ausgangs und des Q-Ausgangs der beiden D-Flip-Flops 22, 23 im UND-Gatter 24 steht am Ausgang 133 des Einheitsimpulserzeugers 13 der Einheitsimpuls an, der mit der positiven Flanke des Rechtecksignals zusammenfällt und einen Takt des Taktgenerators 15 breit ist.The unit pulse generator 13 shown in detail in FIG. 2 comprises two single-edge-controlled D flip-flops 22 , 23 and an AND gate 24 . The D input of the first flip-flop 22 forms the input 131 of the unit pulse generator 13 , while the Q output of the flip-flop 22 is connected to the D input of the second flip-flop 23 and to an input of the AND gate 24 whose other input is at the Q output of the D flip-flop 23 . The output of the AND gate 24 forms the output of the unit pulse generator 13 . The two trigger inputs of the D flip-flops 22 , 23 are connected to the clock input 132 of the unit pulse generator 13 and are therefore at the output of the clock frequency generator 15 . With the help of the first D flip-flop 22 , the square-wave signal at the input 131 of the unit pulse generator 13 is synchronized with the clock of the clock frequency generator 15 . The second D flip-flop 23 shifts the square-wave signal by one clock of the clock generator 15 , and the combination of the Q output and the Q output of the two D flip-flops 22 , 23 in the AND gate 24 provides the output 133 of the unit pulse generator 13 to the unit pulse, which coincides with the positive edge of the square-wave signal and is one clock of the clock generator 15 wide.

Die mit jeder positiven Flanke des Rechtecksignals am Ausgang 133 des Einheitsimpulserzeugers 13 auftretenden Einheitsimpulse werden in das Schieberegister 14 eingeschrieben und mit jedem Taktimpuls des Taktfrequenzgenerators 15 um eine Bitstelle im Schieberegister 14 weitergeschoben. Anstelle der positiven Flanken, des Rechteckssignals können auch die negativen Flanken des Rechtecksignals in die entsprechenden Einheitsimpulse gewandelt werden. Zum Einlesen der Einheitsimpulse in das Schieberegister 14 wird ein zeitlich begrenztes Meßfenster geöffnet, indem ein entsprechender Freigabeimpuls über einen Steuereingang 21 sowohl an das Schieberegister 14 als auch an den Mikroprozessor 16 gelegt wird. Mit Auftreten eines Sperrimpulses an dem Steuereingang 21 wird das Meßfenster wieder geschlossen und das Schieberegister 14 gesperrt. Bei Verwendung der Frequenzmeßvorrichtung in einem Dopplerlog werden der Freigabe- und der Sperrimpuls von einer Steuerschaltung des Dopplerlogs bezogen, mit welcher der Echoempfang des Dopplerlogs, je nachdem ob Bodenechos oder Volumennachhallechos empfangen werden sollen, gesteuert wird.The unit pulses occurring with each positive edge of the square-wave signal at the output 133 of the unit pulse generator 13 are written into the shift register 14 and shifted by one bit position in the shift register 14 with each clock pulse of the clock frequency generator 15 . Instead of the positive edges, the rectangular signal, the negative edges of the rectangular signal can also be converted into the corresponding unit pulses. To read the unit pulses into the shift register 14 , a time-limited measurement window is opened by applying a corresponding enable pulse to the shift register 14 and to the microprocessor 16 via a control input 21 . When a blocking pulse occurs at the control input 21 , the measuring window is closed again and the shift register 14 is blocked. When using the frequency measuring device in a Doppler log, the enable and disable pulse are obtained from a control circuit of the Doppler log, with which the echo reception of the Doppler log is controlled, depending on whether ground echoes or volume echoes are to be received.

Während der Öffnungsdauer des Meßfensters erfaßt der Mikroprozessor 16, der einerseits mit dem Ausgang des Einheitsimpulserzeugers 13 und andererseits mit den einzelnen Bitstellen Q_i des Schieberegisters 14 verbunden ist, mit jedem neu in das Schieberegister 14 eingelesenen Einheitsimpuls die momentane Belegung der Bitstellen Q_i im Schieberegister 14 durch den jeweils vorhergehenden Einheitsimpuls. Jede Belegung einer der Bitstellen Q_i wird vom Mikroprozessor 16 in den Schreib-Lese-Speicher 17 in einen der jeweiligen Bitstelle zugeordneten Speicherplatz eingeschrieben. Werden mehrere Belegungen der gleichen Bitstelle Q_i im Schieberegister 14 festgestellt, so werden diese Belegungen in den gleichen Speicherplatz eingeschrieben und dort aufsummiert, so daß am Ende des Meßvorgangs mit Schließen des Meßfensters in den einzelnen Speicherplätzen des Schreib-Lese-Speichers 17 die Häufigkeit der Belegungen der einzelnen Bitstellen Q_i mit einem Einheitsimpuls abgespeichert ist. Anders ausgedrückt repräsentiert dann der Speicherinhalt des Schreib-Lese- Speichers 17 die Zählstände der einzelnen Bitstellen Q_i des Schieberegisters 14, die durch die aufeinanderfolgende Belegung der einzelnen Bitstellen mit Einheitsimpulsen erreicht worden sind.During the opening period of the measurement window is detected, the microprocessor 16, on the one hand to the output of unit pulse generator 13 and on the other hand connected to the individual bit positions Q _i of the shift register 14, with each newly read into the shift register 14 unit pulse, the current assignment of the bit positions Q _i in the shift register 14 by the previous unit pulse. Each assignment of one of the bit positions Q _i is written by the microprocessor 16 into the read-write memory 17 into a memory location assigned to the respective bit position. If several assignments of the same bit position Q _{i are found} in the shift register 14 , these assignments are written into the same memory location and added up there, so that at the end of the measurement process, when the measurement window is closed, the frequency of the read-write memory 17 in the individual memory locations 17 Assignments of the individual bit positions Q _{i are} stored with a unit pulse. In other words, the memory content of the read-write memory 17 then represents the counts of the individual bit positions Q _{i of} the shift register 14 , which have been achieved by the successive assignment of the individual bit positions with unit pulses.

Mit Schließen des Meßfensters liest nun der Interpolator 18 aus dem Schreib-Lese-Speicher 17 den höchsten Zählstand Z_m sowie die Zählstände Z_-1, Z₊₁ der beiden der Bitstelle Q_m mit dem höchsten Zählstand Z_m im Schieberegister 14 unmittelbar benachbarten Bitstellen Q_m1, Q_m+1 aus und berechnet mit Hilfe eines abgespeicherten Interpolationsalgorithmus daraus und aus der Taktfrequenz f_T und der Stellenzahl dieser drei Bitstellen Q_m-1, Q_m, Q_m+1 im Schieberegister 14 die Signalfrequenz f_S des Eingangssignals, wobei die Berechnungsvorschrift der Gleichung
When the measuring window is closed, the interpolator 18 reads from the read-write memory 17 the highest count Z _m and the counts Z _-1 , Z _{+1 of} the two bit positions immediately adjacent to the bit position Q _m with the highest count Z _m in the shift register 14 Q _m1 , Q _{m + 1} and calculates the signal frequency f _{S of} the input signal from the clock frequency f _T and the number of digits of these three bit positions Q _m-1 , Q _m , Q _{m + 1} in the shift register 14 using a stored interpolation algorithm, where the calculation rule of the equation

genügt. Dabei ist:
f_S die Signalfrequenz des Eingangssignals
f_T die Taktfrequenz des Taktfrequenzgenerators 15
Z_m das Zählstandsmaximum,
Q_m die Bitstelle Q_i mit dem Zählstandsmaximum Z_m,
Q_m-1 die im Schieberegister 14 vor der Bitstelle Q_m liegende Bitstelle Q_i,
Z_-1 der Zählstand der Bitstelle Q_m-1,
Q_m+1 die im Schieberegister nach der Bitstelle Q_m liegende Bitstelle Q_i und
Z₊₁ der Zählstand der Bitstelle Q_m+1. enough. Here is:
f _S the signal frequency of the input signal
f _{T is} the clock frequency of the clock frequency generator 15
Z _{m is} the maximum of the _meter reading,
Q _m the bit position Q _i with the maximum count Z _m ,
Q _m-1 is the bit position Q _i located in the shift register 14 before the bit position Q _m ,
Z _-1 the count of the bit position Q _m-1 ,
Q _{m + 1 is} the bit position Q _i and in the shift register after the bit position Q _m
Z ₊₁ the count of the bit position Q _{m + 1} .

Die Frequenzberechnung sei zur Verdeutlichung anhand eines vereinfachten Zahlenbeispiels noch einmal erläutert. Am Signaleingang 10 der Frequenzmeßvorrichtung liegt ein auf Zwischenfrequenz herabgemischtes Eingangssignal, dessen Signalfrequenz f_S zwischen 12 kHz und 20 kHz liegt. Die Taktfrequenz f_T beträgt 4 MHz. Im Hinblick auf die festgelegte untere Grenzfrequenz des Eingangssignals besitzt das Schieberegister 328 Bitstellen Q₁ bis Q₃₂₈. Mit Schließen des Meßfensters weist der Schreib-Lese-Speicher 17 beispielsweise einen maximalen Zählstand 639 für die Bitstelle Q₂₆₇, für die dieser benachbarte Bitstelle Q₂₆₆ einen Zählstand von 321 und für die dieser ebenfalls benachbarte Bitstelle Q₂₆₈ den Zählstand 0 auf.The frequency calculation will be explained again using a simplified numerical example. At the signal input 10 of the frequency measuring device there is an input signal mixed down to the intermediate frequency, the signal frequency f _{S of which is} between 12 kHz and 20 kHz. The clock frequency f _T is 4 MHz. With regard to the defined lower limit frequency of the input signal, the shift register has 328 bit positions Q ₁ to Q ₃₂₈ . When the measuring window is closed, the read-write memory 17 has, for example, a maximum count 639 for the bit position Q ₂₆₇ , for which the bit position Q ₂₆₆ adjacent to it has a count of 321 and for the bit position Q ₂₆₈ also adjacent to this, the count 0.

Unter Anwendung des in Gl. (1) angegebenen Interpolationsalgorithmus berechnet der Interpolator 18 die Signalfrequenz f_S des Eingangssignals zu:
Using the in Eq. (1) specified interpolation algorithm, the interpolator 18 calculates the signal frequency f _{S of} the input signal:

Diese hohe Genauigkeit der Signalfrequenz f_S wird bereits mit einer Signaldauer des am Eingang 10 liegenden Eingangssignals vom 64 ms erreicht. Die Frequenzgenauigkeit nimmt mit der Signaldauer des Eingangssignals und der dieser angepaßten Öffnungszeit des Meßfensters zu bzw. ab und beträgt beispielsweise im angeführten Zahlenbeispiel bei einer Signaldauer von 512 ms 15000,054 Hz und bei einer Signaldauer von 4 ms 15000,98 Hz. This high accuracy of the signal frequency f _S is already achieved with a signal duration of the input signal at input 10 of 64 ms. The frequency accuracy increases or decreases with the signal duration of the input signal and the opening time of the measuring window adapted to it and, for example in the numerical example given, is 15000.054 Hz for a signal duration of 512 ms and 15000.98 Hz for a signal duration of 4 ms.

Bei der Anwendung der beschriebenen Frequenzmeßvorrichtung in einem Dopplerlog wird die vom Interpolator 18 ermittelte Signalfrequenz f_S der Rechenschaltung 19 zugeführt, die nach den bekannten Zusammenhängen gemäß nachstehender Gleichungen
When using the described frequency measuring device in a Doppler log, the signal frequency f _S determined by the interpolator 18 is fed to the computing circuit 19 , which according to the known relationships according to the equations below

die Geschwindigkeit v des Wasserfahrzeugs bestimmt. In den Gl. (2) und (3) bedeuten f_d die Dopplerfrequenz, f₀ die Sendefrequenz, ϑ der Abstrahlwinkel der Sendeimpulse gegenüber der Horizontalen und c die Schallgeschwindigkeit im Wasser. Die von der Rechenschaltung 19 ermittelte Geschwindigkeit v wird in der Geschwindigkeitsanzeige 20 dargestellt. Verwendet man ein sog. Alpha-Dopplerlog wie es in den Technischen Mitteilungen Krupp Forschungs-Berichte Band 28 (1970), Heft 1, Seiten 1 bis 8, beschrieben ist, so ist die Geschwindigkeit v unter Berücksichtigung einer Gerätekonstante 2a direkt proportional der Dopplerfrequenz f_d.determines the speed v of the watercraft. In the Eq. (2) and (3) mean f _d the Doppler frequency, f ₀ the transmission frequency, ϑ the radiation angle of the transmission impulses compared to the horizontal and c the speed of sound in the water. The speed v determined by the computing circuit 19 is shown in the speed display 20 . If a so-called alpha Doppler log is used, as described in the technical notices Krupp Research Reports Volume 28 (1970), No. 1, pages 1 to 8, the speed v is directly proportional to the Doppler frequency, taking into account a device constant 2 a f _d .

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel beschränkt. So können in dem Interpolationsalgorithmus gem. Gl. (1) noch weitere, der Bitstelle Q_m mit dem höchsten Zählstand Z_m benachbarte Bitstellen, z. B. die Bitstelle Q_m-2 und Q_m+2 mit ihren Zählständen Z_-2 und Z₊₂, berücksichtigt werden. Eine darüber hinausgehende Auswertung von weiteren Bitstellen ist aber nicht sinnvoll.The invention is not limited to the above embodiment. So in the interpolation algorithm according to Eq. (1) still further bit positions adjacent to the bit position Q _m with the highest count Z _m , e.g. B. the bit position Q _m-2 and Q _{m + 2} with their counts Z _-2 and Z _{+2 are} taken into account. An additional evaluation of further bit positions is not useful.

Claims

1.Device for measuring the frequency of an input signal, in which the input signal is amplified and clipped and during the opening period of a measuring window, the positive or negative edges of a resulting rectangular signal are converted into unit pulses and the unit pulses with a clock frequency (f _T ) that are essential is greater than the signal frequency (f _S ), can be shifted by a shift register ( 14 ), characterized in that the clock frequency (f _T ) is constant during the opening period of the measuring window, that on the one hand continuously during the opening period of the measuring window each time a unit pulse is read is the currently occupied by the respective preceding unit pulse bit position in the shift register (14) (Q _i) is read in the shift register (14) and on the other hand, the frequency of the occupancy of every bit position (Q _i) separated by bit positions (Q _i) is incremented and that after closing of the measuring window by means of one of the highest counts hlstand (Z _m), and the counts (Z _-1, Z _{+ 1)} of the bit position (Q _m) with the highest count (Z _m) in the shift register (14) immediately adjacent, at least two bit positions (Q _m-1, Q _{m + 1} ) detecting interpolation algorithm from the clock frequency (f _T ) and the number of digits (i) of these bit positions (Q _m-1 , Q _m , Q _{m + 1} ) in the shift register ( 14 ) the signal frequency (f _S ) is calculated.

2. Device according to claim 1, characterized in that the signal frequency (f _S ) according to the equation:
Is calculated, where is:
f _S the signal frequency of the input signal,
f _T the clock frequency of the clock frequency generator ( 15 ),
Z _{m is} the maximum of the _meter reading,
Q _{m is} the bit position Q _i with the maximum counter reading
Q _m-1 is the bit position Q _i in the shift register ( 14 ) before the bit position Q _m ,
Z _-1 the count of the bit position Q _m-1 ,
Q _{m + 1} the bit position Q _i and in the shift register ( 14 ) after the bit position Q _m
Z ₊₁ the count of the bit position Q _{m + 1.}

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by an amplifier ( 11 ) occupied by the input signal, a Schmitt trigger ( 12 ) connected downstream of the amplifier ( 11 ), which generates the square-wave signal, a unit pulse generator ( 13 ) for generating the one of the edges of the square-wave signal synchronized unit pulses of clock frequency width, which is connected with its input ( 131 ) to the output of the Schmitt trigger ( 12 ) and with its clock input ( 132 ) to the output of a clock frequency generator ( 15 ), the clock pulses of constant clock frequency f _T generated with a shift register ( 14 ), the signal input of which is connected to the output ( 133 ) of the unit pulse generator ( 13 ) and the clock input of which is connected to the clock frequency generator ( 15 ), with a microprocessor ( 16 ) which is used to record the frequency of the bit position Assignments by the unit pulses on the one hand at the parallel outputs (bit positions Q _i ) of the shift register ( 14 ) and on the other hand is connected to the output ( 133 ) of the unit pulse generator ( 13 ), with a read / write memory ( 17 ) connected to the microprocessor ( 16 ), in which the occupancy frequencies counted up per bit position Q _i are written, and with an interpolator ( 18 ) connected to the readout output of the read / write memory ( 17 ) with a stored interpolation algorithm for calculating the signal frequency (f _S ) of the input signal.

4. Use of a device according to claim 3 for measuring the speed of watercraft, characterized in that the received signal down-mixed a Dopplerlogs to a suitable intermediate frequency, and is used as an input signal and that by means of the interpolator (18) downstream computation circuit (19) from the signal frequency (f _S ) of the input signal determines the Doppler frequency (f _d ) and from this the speed (v) over ground or through the water is calculated.

5. Use of a device according to claim 3 for measuring the speed of watercraft, characterized in that the received signal of a Doppler log is mixed down to a suitable intermediate frequency and used as an input signal that the measurement window is determined by an enable and disable pulse which is sent to the shift register ( 14 ) and the microprocessor ( 16 ) are laid, and that the pulses determining the measurement window are derived from a control circuit of the Doppler log for controlling the echo reception.

6. Use of a device according to claim 3 for measuring the speed of watercraft, characterized in that the received signal of a Doppler log is mixed down to a suitable intermediate frequency and is used as an input signal that by means of a computing circuit ( 19 ) connected downstream of the interpolator ( 18 ) from the signal frequency (f _S ) of the input signal determines the Doppler frequency (f _d ) and from this the speed (v) over ground or through water is calculated and that the measuring window is determined by an enable and disable pulse which is sent to the sliding register ( 14 ) and the Microprocessor ( 16 ) are placed, and that the pulses determining the measurement window are derived from a control circuit of the Doppler log for controlling the echo reception.