超声波测风作为气象测风的主流方式一直备受关注,对超声波测风的系统性研究近年来逐步加深。但是传统的超声波测风系统研究往往忽略了风力场中流体流动的特点以及伴随着流体共同传输的超声波信号噪声分布的特点,在算法研究中直接套用匹配度较低的高斯模型,在阵列研究中忽略阴影效应的影响,导致系统测量精确度与稳定性较低。本文从超声波测风特点出发,阐述其优越性并分析当前研究的技术难点,确定提高系统测量精确度与稳定性的研究方向:超声波时延估计算法研究、三维超声波换能器阵列设计以及系统硬件与软件的选型和设计,并将各部分的研究结果应用到三维超声波测风系统中,通过各部分分别仿真测试验证系统理论上的精确度和稳定性,通过系统整体分析与测试检验系统实际应用时所能达到的性能指标。超声波信号在传输过程中出现非高斯噪声的现象非常严重,给时延估计算法处理带来了困难。针对这一问题,提出了一种基于SαS-FLOCS的广义分数低阶协方差时延估计算法。该方法在传统时延估计算法的基础上,考虑有色噪声的分布特点,利用对称alpha稳定分布模型改进其滤波方式,在谱估计过程中引入分数低阶协方差,利用协方差系数参数建立滤波器,对处理后的信号进行协方差相关函数峰值检测。在仿真中,通过配置不同噪声环境和不同信噪比条件,分析其均方根误差和标准差。针对三维超声波测风技术中常用换能器阵列忽略阴影效应影响的问题,在分析粘性可压缩的非定常牛顿流场特性的基础上,设计了一种模仿特殊四面体棱边设计的非正交换能器阵列,阵列通过降低测风路径上尾迹区湍流度的方法提高换能器探头之间风速的均匀性。在阵列仿真中选取k-ε湍流模型,利用GAMBIT软件建立换能器阵列模型,在FLUENT软件中配置气体流速和雷诺数等环境参数,仿真阵列在低速层流区和高速湍流区的数据结果,分析其速度分布云图和测风路径速度折线图。结合时延估计算法和换能器阵列搭建基于FPGA芯片和VerilogHDL语言的三维超声波测风系统实验平台,确定系统整体的框架和主要功能,完成硬件平台和软件平台的设计。硬件设计主要包括核心处理和控制电路、电源电路、超声波驱动接收电路、信号采集电路、存储电路和显示电路,软件设计主要包括FPGA整体软件设计流程、超声波逻辑控制、算法处理。对设计完成的三维超声波测风系统进行场外实地测试、风洞测试和基本环境试验。通过对三维超声波测风当前研究热点问题进行分析,结合数字信号处理和流体力学的相关理论知识,本文提出了基于SαS-FLOCS的广义分数低阶协方差时延估计算法,设计了非正交换能器阵列,搭建了三维超声波测风系统实验平台。实验结果表明:所设计的系统基本达到预期指标,具备较高的精确度与稳定性。