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JP2012149951A - Radar device - Google Patents

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JP2012149951A JP2011007916A JP2011007916A JP2012149951A JP 2012149951 A JP2012149951 A JP 2012149951A JP 2011007916 A JP2011007916 A JP 2011007916A JP 2011007916 A JP2011007916 A JP 2011007916A JP 2012149951 A JP2012149951 A JP 2012149951A
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doppler velocity
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Fumio Urabe
文夫 卜部
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Japan Radio Co Ltd
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Japan Radio Co Ltd
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Abstract

【課題】
気象レーダ装置において、代表的なドップラ速度計算方式たるFFT法とPPP法は相反する性質を持つ。両手法を結合し、より精度の高いドップラ速度観測データを提供する。
【解決方法】
FFT法とPPP法によるドップラ速度並びに速度幅を同時に計算する。両手法によるドップラ速度の閾値に対する多寡を比較し、両者が共に閾値よりも大きい場合、有限項打ち切り誤差の影響による周波数分解能の劣化を受けないPPP法によるドップラ速度を採用する。一方、両手法によるドップラ速度の何れか一方が、前記閾値を下回る場合は、計算した速度幅の小さい方式によるドップラ速度計算結果を出力する。本手法により、より精度の高いドップラ速度観測データを提供する。
【選択図】図1
【Task】
In a weather radar apparatus, the FFT method and the PPP method, which are typical Doppler velocity calculation methods, have contradictory properties. Combine both methods to provide more accurate Doppler velocity observation data.
【Solution】
The Doppler velocity and velocity width by the FFT method and the PPP method are calculated simultaneously. Compare the Doppler speed threshold values of both methods, and if both are larger than the threshold value, the Doppler speed by the PPP method that does not suffer the deterioration of the frequency resolution due to the influence of the finite term truncation error is adopted. On the other hand, when any one of the Doppler velocities by both methods falls below the threshold value, a Doppler velocity calculation result by a method with a small calculated velocity width is output. This method provides more accurate Doppler velocity observation data.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、パルス波を一定間隔で間欠的に空間に発射し、降雨を伴う雲等、気象に影響を与える物体からの反射波を受信し、反射波の周波数を計測することにより目標のドップラ速度を計算する気象レーダ装置に関する発明である。   The present invention intermittently emits a pulse wave into a space at regular intervals, receives a reflected wave from an object that affects the weather, such as a cloud accompanying rain, and measures the frequency of the reflected wave, thereby measuring a target Doppler. It is an invention related to a weather radar device for calculating speed.

気象レーダ装置が探知対象とする目標のドップラ速度の推定方法は、推定処理を周波数領域で行うFFT法(Fast Fourier Transform)と、時間領域で行うPPP法(Pulse Pair Processing)とに大別される。(非特許文献1)   Methods for estimating a target Doppler velocity to be detected by a weather radar apparatus are roughly classified into an FFT method (Fast Fourier Transform) in which estimation processing is performed in the frequency domain and a PPP method (Pulse Pair Processing) in the time domain. . (Non-Patent Document 1)

FFT法は、一定間隔Ts[秒]で空間に発射するパルスによって得られる降雨等などからの反射波の信号列をN個集約し、これをフーリエ変換することによって、ピリオドグラムの一次モーメント、即ち最も支配的な周波数成分から前記反射波のドップラ速度を求め、当該ドップラ速度の確度を表す指標として、ドップラ速度を中心とするスペクトル幅を速度幅として出力するものである。   The FFT method aggregates N signal sequences of reflected waves from rain or the like obtained by pulses emitted into space at a constant interval Ts [seconds], and Fourier-transforms this to obtain a first moment of a periodogram, that is, The Doppler velocity of the reflected wave is obtained from the most dominant frequency component, and the spectral width centered on the Doppler velocity is output as the velocity width as an index representing the accuracy of the Doppler velocity.

PPP法は、一定間隔Ts[秒]で空間に発射するパルスによる気象エコーからの反射波を、N個集約し、隣接する信号列の相互相関係数の偏角、即ちN×Ts[秒]におけるパルス間の平均位相回転量から気象エコーのドップラ速度を、瞬時的な位相回転量の標準偏差から計算したドップラ速度の確度を表す指標として速度幅を出力する。   The PPP method aggregates N reflected waves from meteorological echoes by pulses emitted into the space at a constant interval Ts [seconds], and declinates the cross-correlation coefficient of adjacent signal sequences, that is, N × Ts [seconds]. The Doppler velocity of the meteorological echo is output from the average phase rotation amount between pulses in, and the velocity width is output as an index representing the accuracy of the Doppler velocity calculated from the standard deviation of the instantaneous phase rotation amount.

FFT法、PPP法共、空間をパルス発射周期Ts[秒]で標本化した離散信号を扱う信号処理である為、ドップラ速度の測風範囲はサンプリング定理の制限を受ける。ドップラ速度の測風範囲Vmaxは、空間に発射するパルスの搬送波波長をλ[m]とおくと、(数1)で与えられる。
(数1)
Vmax=−λ×Ts/4
Since both the FFT method and the PPP method are signal processing that handles discrete signals obtained by sampling the space with a pulse emission period Ts [seconds], the wind measurement range of the Doppler velocity is limited by the sampling theorem. The wind measurement range Vmax of the Doppler velocity is given by (Equation 1), where λ [m] is the carrier wavelength of a pulse emitted into the space.
(Equation 1)
Vmax = −λ × Ts / 4

石原 正仁 編集 「気象研究ノート 第200号」 社団法人日本気象学会 平成13年12月26日 初版発行 p24−26Edited by Masahito Ishihara "Meteorological Research Note No.200" Japan Meteorological Society December 26, 2001 First edition issued p24-26 石原 正仁 編集 「気象研究ノート 第200号」 社団法人日本気象学会 平成13年12月26日 初版発行 p30−32Edited by Masahito Ishihara "Meteorological Research Note No.200" Japan Meteorological Society December 26, 2001 First edition issued p30-32

FFT法は、フーリエ変換処理の有限長打ち切り誤差に起因するサイドローブの発生を抑圧する為、処理前の時間領域信号に窓関数を乗ずる。窓関数の乗算は、サイドローブの抑圧に効果的である反面、FFT処理の結果得られるピリオドグラムの周波数分解能劣化、即ちドップラ速度計算精度の劣化を招く。   The FFT method multiplies the time domain signal before processing by a window function in order to suppress the occurrence of side lobes due to the finite length truncation error of the Fourier transform processing. The multiplication of the window function is effective for suppressing the side lobes, but causes degradation of the frequency resolution of the periodogram obtained as a result of the FFT processing, that is, deterioration of the Doppler velocity calculation accuracy.

しかし、FFT法は周波数選択性を持つ為、固定目標からの反射波と降雨等の気象エコーからの反射波が重畳した場合、前者は直流に主たる成分を持ち、後者は交流に主たる成分を持つことを利用し、交流成分、即ち気象エコーのみを取り出すことができる。   However, since the FFT method has frequency selectivity, when a reflected wave from a fixed target and a reflected wave from a weather echo such as rainfall are superimposed, the former has a main component in DC and the latter has a main component in AC. Thus, only the AC component, that is, the weather echo can be extracted.

一方、PPP法は前記窓関数処理を経ない為、FFT法に見られた処理の過程における周波数分解能、即ちドップラ速度計算精度の劣化が無い。しかし、時間領域処理であるが故、周波数選択性を持たず、固定目標からの反射波と降雨等の気象エコーからの反射波が重畳した場合、気象エコーに対して反射断面積の大きい固定目標からの反射成分が支配的となり、ドップラ速度計算結果は直流側に遷移し、且つ前記速度幅が拡大してドップラ速度計算精度が劣化する。   On the other hand, since the PPP method does not go through the window function processing, there is no deterioration in the frequency resolution, that is, the Doppler velocity calculation accuracy in the process of the processing seen in the FFT method. However, because it is time domain processing, it does not have frequency selectivity, and when a reflected wave from a fixed target and a reflected wave from a weather echo such as rainfall are superimposed, a fixed target having a large reflection cross-section to the weather echo The Doppler velocity calculation result shifts to the direct current side, and the velocity width is expanded to deteriorate the Doppler velocity calculation accuracy.

よって、気象レーダのドップラ速度計算手法たるFFT法とPPP法は相反する性質を持つ。   Therefore, the FFT method and the PPP method, which are Doppler velocity calculation methods for weather radar, have contradictory properties.

本発明は、相反する性質を持つ両手法を結合し、より精度の高いドップラ速度観測データを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide Doppler velocity observation data with higher accuracy by combining both methods having contradictory properties.

FFT法とPPP法の両者によるドップラ速度、並びに速度幅を計算する。尚、FFT法によるドップラ速度と速度幅計算結果は、周波数選択性に基づいた直流成分除去処理を経たものとする。両者のドップラ速度計算結果と、予め与える閾値とを比較し、両者が共に閾値以上のドップラ速度を持つ場合、固定目標からの反射波重畳が無いと判別し、両者の内、速度幅が小さい方、即ち確度の高いドップラ速度を計算結果として出力する。   The Doppler speed and the speed width are calculated by both the FFT method and the PPP method. It is assumed that the Doppler velocity and velocity width calculation results by the FFT method have undergone a DC component removal process based on frequency selectivity. Comparing the Doppler velocity calculation results of both and the threshold value given in advance, if both have Doppler velocities greater than or equal to the threshold, it is determined that there is no reflected wave superposition from the fixed target, and the velocity width is the smaller of the two That is, a highly accurate Doppler velocity is output as a calculation result.

対して、どちらか一方が前記閾値よりも小さい値を呈した場合、固定目標からの反射波重畳の可能性があるとして、周波数選択性に基づいた直流成分除去処理を経たFFT法によるドップラ速度計算結果を出力する。   On the other hand, if one of the values is smaller than the threshold value, it is assumed that there is a possibility of reflection wave reflection from the fixed target, and the Doppler velocity calculation by the FFT method is performed through the DC component removal processing based on the frequency selectivity. Output the result.

尚、FFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果の系統選択に用いる閾値は、晴天時、降雨等気象エコーが無く、固定目標のみが観測される環境下で観測データを取得し、ドップラ速度のヒストグラム検定を実施、同統計の最頻値と分散σを基に決定する。   The threshold used to select the system of the Doppler velocity calculation results by the FFT method and the PPP method is that the observation data is acquired in an environment where there is no meteorological echo such as rain or rain, and only a fixed target is observed, and the Doppler velocity histogram The test is performed, and the determination is made based on the mode value and variance σ of the same statistics.

前記の方法により、相反する性質を持つFFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果を動的に選択し、観測領域全域に渡って精度の高いドップラ速度観測データを出力する。   By the above method, Doppler velocity calculation results by the FFT method and the PPP method having conflicting properties are dynamically selected, and highly accurate Doppler velocity observation data is output over the entire observation region.

本発明のレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus of this invention. 本発明のレーダ装置においてFFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果選択に使用する閾値を決定する統計量を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the statistic which determines the threshold value used for the Doppler velocity calculation result selection by the FFT method and the PPP method in the radar apparatus of this invention. 本発明の実施形態におけるFFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果選択のフローチャートである。It is a flowchart of Doppler speed calculation result selection by FFT method and PPP method in the embodiment of the present invention.

本発明の最も好適な実施例について、図を参照して説明する。図1は本発明のレーダ装置の構成を示すブロック図である。   The most preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to the present invention.

図1の送信タイミング計時指示部1は、パルスを空間に発射するタイミングを計時し、同タイミングを指示する送信トリガを生成する。   The transmission timing timing instructing unit 1 in FIG. 1 measures the timing at which a pulse is emitted into space, and generates a transmission trigger that indicates the timing.

図1の送信部2は、送信タイミング計時指示部1で生成した送信トリガの指示により目標を観測するパルス波を生成、空間に発射する周波数まで周波数変換し、電力増幅する。   The transmission unit 2 in FIG. 1 generates a pulse wave for observing the target according to the transmission trigger instruction generated by the transmission timing timing instruction unit 1, converts the frequency to a frequency to be emitted into space, and amplifies the power.

図1の空中線部3は、送信部2で周波数変換し、電力増幅したパルス波を空間に発射し、目標からの反射波を受信する。   The antenna unit 3 of FIG. 1 emits a pulse wave that has been frequency-converted by the transmission unit 2 and amplified in power, and receives a reflected wave from the target.

図1の受信部4は、空中線部3で受信した目標からの反射波を、中間周波数まで周波数変換し、電力増幅する。   The receiving unit 4 in FIG. 1 frequency-converts the reflected wave from the target received by the antenna unit 3 to an intermediate frequency and amplifies the power.

図1のA/D変換部5は、受信部4で中間周波数に変換した目標からの反射波を標本/量子化する。   The A / D converter 5 in FIG. 1 samples / quantizes the reflected wave from the target converted to the intermediate frequency by the receiver 4.

図1のディジタル直交検波部6は、A/D変換部で標本/量子化した目標からの反射波を直交検波する。   The digital quadrature detection unit 6 in FIG. 1 performs quadrature detection of the reflected wave from the target sampled / quantized by the A / D conversion unit.

図1のメモリ部7は、ディジタル直交検波部6が出力する直交検波信号を一時保存する。   The memory unit 7 in FIG. 1 temporarily stores the quadrature detection signal output from the digital quadrature detection unit 6.

図1の書き込みアドレスカウンタ部8は、送信タイミング計時指示部1が出力する送信トリガを計数開始タイミングとして、前記メモリ部7にディジタル直交検波部が出力する直交検波信号を書き込む為のアドレスを順次指示する。   The write address counter unit 8 in FIG. 1 sequentially instructs addresses for writing the quadrature detection signal output by the digital quadrature detection unit in the memory unit 7 using the transmission trigger output from the transmission timing timing instruction unit 1 as the count start timing. To do.

図1の送信回数計数指示部9は、送信タイミング計時指示部1が出力する送信トリガを計数する。   1 counts the transmission trigger output from the transmission timing counter 1.

図1の処理開始タイミング指示部10は送信回数計数指示部9が指示する送信回数を計数し、送信回数N回毎に処理開始タイミングを指示する。   The process start timing instruction unit 10 in FIG. 1 counts the number of transmissions instructed by the transmission number count instruction unit 9, and instructs the process start timing every N transmission times.

図1の読み出しアドレスカウンタ部11は、処理開始タイミング指示部10が指示する処理開始タイミングを計数開始タイミングとして、前記メモリ部7から直交検波信号を順次読み出す為のアドレスを指示する。   The read address counter unit 11 in FIG. 1 instructs an address for sequentially reading quadrature detection signals from the memory unit 7 with the process start timing instructed by the process start timing instruction unit 10 as a count start timing.

図1のFFT処理部12は、前記処理開始タイミング指示部10が指示する処理開始タイミングにより、前記メモリ部7から読み出されたN本のパルス波を起源とする直交検波信号をFFT処理し、ピリオドグラムを出力する。   The FFT processing unit 12 in FIG. 1 performs FFT processing on the quadrature detection signal originating from the N pulse waves read from the memory unit 7 according to the processing start timing instructed by the processing start timing instruction unit 10. Output a periodogram.

図1の直流成分除去部13は、前記FFT処理部12が出力するピリオドグラムから、直流成分を除去する。尚、直流成分の除去方法は非特許文献2による。   The DC component removing unit 13 in FIG. 1 removes a DC component from the periodogram output from the FFT processing unit 12. The method for removing the DC component is according to Non-Patent Document 2.

図1のドップラ速度計算部(FFT)14は前記直流成分除去部13が出力するピリオドグラムからドップラ速度を計算する。   The Doppler velocity calculation unit (FFT) 14 in FIG. 1 calculates the Doppler velocity from the periodogram output from the DC component removal unit 13.

図1の速度幅計算部(FFT)15は、前記直流成分除去部13が出力するピリオドグラムから速度幅を計算する。   The speed width calculation unit (FFT) 15 in FIG. 1 calculates the speed width from the periodogram output from the DC component removal unit 13.

図1のPPP処理部16は、前記処理開始タイミング指示部10が指示する処理開始タイミングにより、前記メモリ部7から読み出されたN本の直交検波信号から隣接する信号列の相互相関係数を順次計算する。   The PPP processing unit 16 in FIG. 1 determines the cross-correlation coefficient of the adjacent signal sequence from the N orthogonal detection signals read from the memory unit 7 according to the processing start timing indicated by the processing start timing instruction unit 10. Calculate sequentially.

図1のドップラ速度計算部(PPP)17は前記PPP処理部16が出力する相互相関係数の偏角を基にドップラ速度を計算する。   The Doppler velocity calculation unit (PPP) 17 in FIG. 1 calculates the Doppler velocity based on the deviation angle of the cross-correlation coefficient output from the PPP processing unit 16.

図1のドップラ速度幅計算部(PPP)18は前記PPP処理部16が出力する相互相関係数の標準偏差を基に速度幅を計算する。   A Doppler velocity width calculator (PPP) 18 in FIG. 1 calculates a velocity width based on the standard deviation of the cross-correlation coefficient output from the PPP processor 16.

図1の閾値保持部19は、FFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果を選択するのに使用する閾値を保持する。   The threshold value holding unit 19 in FIG. 1 holds a threshold value used for selecting a Doppler velocity calculation result by the FFT method and the PPP method.

前記閾値は、固定目標が統計的に分布する最も高いドップラ速度を持てば良い。(図2参照)   The threshold only needs to have the highest Doppler speed at which the fixed target is statistically distributed. (See Figure 2)

例えば、同閾値は、晴天時、降雨等気象エコーが無く、固定目標のみが観測される環境下で観測データを取得し、ドップラ速度のヒストグラム検定を実施、同統計の最頻値と標準偏差σから(数2)の様に決定する。
(数2)
閾値=最頻値+3×σ
なお(数2)の定数は任意であり、3に限定するものではない。
For example, the threshold value is obtained in an environment where there is no meteorological echo such as rain, rain, and only a fixed target is observed, and a Doppler velocity histogram test is performed. To (Formula 2).
(Equation 2)
Threshold = mode value + 3 × σ
The constant in (Equation 2) is arbitrary and is not limited to 3.

なお、前記実施形態において、閾値を計算する手段を自動化し、人手による統計計算を経なくても良い。   In the above-described embodiment, the means for calculating the threshold is automated, and manual statistical calculation does not have to be performed.

図1のドップラ速度及び速度幅決定部20は、FFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果を図3に示すフローチャートにより動的に選択する。   The Doppler speed and speed width determination unit 20 in FIG. 1 dynamically selects the Doppler speed calculation result by the FFT method and the PPP method according to the flowchart shown in FIG.

図3のS1、S2において、図1の閾値保持部19が保持する閾値と、FFT法並びにPPP法によるドップラ速度計算結果の絶対値の多寡を比較する。FFT法並びにPPP法によるドップラ速度計算結果の絶対値が共に前記閾値よりも大きい場合は、固定目標が重畳していないとして、両者の内、速度幅が小さい方、即ち確度の高いドップラ速度を計算結果として出力する。(S3、S4)   In S1 and S2 of FIG. 3, the threshold value held by the threshold value holding unit 19 of FIG. 1 is compared with the absolute value of the Doppler velocity calculation results by the FFT method and the PPP method. If the absolute values of the Doppler velocity calculation results by the FFT method and the PPP method are both larger than the threshold value, the fixed target is not superimposed, and the smaller one of the velocity widths, that is, the Doppler velocity with high accuracy is calculated. Output as a result. (S3, S4)

一方、図3のS1、S2において、FFT法及びPPP法によるドップラ速度計算結果の絶対値のどちらか一方が、図1の閾値保持部が保持する閾値よりも小さい場合は、固定目標が重畳している可能性があるとして、FFT法によるドップラ速度計算結果を採用する。(S5)   On the other hand, if one of the absolute values of the Doppler velocity calculation results by the FFT method and the PPP method is smaller than the threshold value held by the threshold value holding unit in FIG. As a result, the Doppler velocity calculation result by the FFT method is adopted. (S5)

以上の動作を以って、相反する性質を持つFFT法とPPP法によるドップラ速度計算結果を動的に選択し、雲等などの気象に影響を与える物体について、観測領域全域に渡って精度の高いドップラ速度観測データを出力する。   With the above operation, the Doppler velocity calculation result by the FFT method and the PPP method having contradictory properties is dynamically selected, and the object such as clouds or the like that affects the weather can be accurately measured over the entire observation area. Output high Doppler velocity observation data.

1 送信タイミング計時指示部
2 送信部タイミング計時指示部
3 空中線部
4 受信部
5 A/D変換部
6 直交検波部
7 メモリ部
8 書き込みアドレスカウンタ部
9 送信回数計数指示部
10 処理開始タイミング指示部
11 読み出しアドレスカウンタ部
12 FFT処理部
13 直流成分除去部
14 ドップラ速度計算部(FFT)
15 速度幅計算部(FFT)
16 PPP処理部
17 ドップラ速度計算部(PPP)
18 速度幅計算部(PPP)
19 閾値保持部
20 ドップラ速度及び速度幅決定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission timing timing instruction part 2 Transmission part timing timing instruction part 3 Aerial part 4 Reception part 5 A / D conversion part 6 Quadrature detection part 7 Memory part 8 Write address counter part 9 Transmission frequency count instruction part 10 Process start timing instruction part 11 Read address counter unit 12 FFT processing unit 13 DC component removal unit 14 Doppler velocity calculation unit (FFT)
15 Speed range calculator (FFT)
16 PPP processing unit 17 Doppler velocity calculation unit (PPP)
18 Speed range calculator (PPP)
19 Threshold value holding unit 20 Doppler speed and speed width determining unit

Claims (3)

気象に影響する物体からの反射波を解析してドップラ速度を算出する気象レーダ装置において、入力された時間領域直交検波信号を高速フーリエ変換して得られるピリオドグラムからドップラ速度1、並びに速度幅1を算出する第1の処理部と、前記時間領域直交検波信号の相互相関係数からドップラ速度2、並びに速度幅2を算出する第2の処理部と、前記第1の処理部および第2の処理部の演算結果からドップラ速度および速度幅を選択するドップラ速度および速度幅決定部と、から成り、前記ドップラ速度および速度幅決定部は、ドップラ速度1とドップラ速度2の予め定める閾値に対する多寡に応じて両者を選択することを特徴とする気象レーダ装置。   In a meteorological radar device that analyzes a reflected wave from an object that affects the weather and calculates a Doppler velocity, a Doppler velocity 1 and a velocity width 1 from a periodogram obtained by fast Fourier transform of the input time-domain quadrature detection signal A first processing unit that calculates the Doppler velocity 2 and a velocity width 2 from the cross-correlation coefficient of the time-domain quadrature detection signal, the first processing unit and the second processing unit. A Doppler speed and a speed width determination unit that selects a Doppler speed and a speed width from the calculation result of the processing unit. The Doppler speed and the speed width determination unit are variously set to predetermined threshold values of the Doppler speed 1 and the Doppler speed 2. A weather radar apparatus characterized by selecting both in response. 請求項1に記載のドップラ速度および速度幅決定部は、前記ドップラ速度1およびドップラ速度2のいずれもが前記閾値を超えている場合には、前記速度幅1と速度幅2の大きさを比較し、小さな速度幅である方のドップラ速度を選択するものとし、前記ドップラ速度1あるいはドップラ速度2のいずれか一方か、あるいは両方が閾値よりも小さければドップラ速度1を選択することを特徴とする気象レーダ装置。   The Doppler speed and speed width determination unit according to claim 1 compares the speed width 1 and the speed width 2 when both of the Doppler speed 1 and the Doppler speed 2 exceed the threshold. The Doppler speed with the smaller speed range is selected, and if either one of the Doppler speed 1 and the Doppler speed 2 or both are smaller than the threshold value, the Doppler speed 1 is selected. Weather radar device. 請求項1の気象レーダ装置において、前記ドップラ速度1と2の選択に資する閾値を、晴天時の固定目標のみが観測されるデータにおけるドップラ速度のヒストグラム検定の最頻値と分散から決定することを特徴とする気象レーダ装置。
2. The meteorological radar apparatus according to claim 1, wherein a threshold value that contributes to selection of the Doppler velocities 1 and 2 is determined from a mode value and a variance of a Doppler velocity histogram test in data in which only a fixed target in clear weather is observed. A featured weather radar device.
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