风是一种由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加,在大尺度规则气流上的一种三维矢量。三维风的风速风向测量在很多领域的信息积累和决策判断方面都有重要作用,比如对机场低空风切变的检测,来避免空难的发生;在航海中的风帆助力船通过调整风帆使之处于最佳迎风角度,并借助风能产生最大助推力来使横向力最小,从而提高船只航行的稳定性;在风力发电方面,可以根据风场中空间三维风参数的确定,来调整风力发电结构,使之处于最佳迎风角度,以此提高风力发电效率;而军事方面导弹弹道的偏移,科学实验方面风洞中风参数的偏差都需要借助三维风参数的确定来进行调整。目前市场上现有的测风仪主要有机械式测风仪,热敏式测风仪,激光多普勒测风仪,超声波测风仪等,但这也只能测量出二维平面上的风参数信息,并不能对三维风参数信息进行完整的描述。根据现有的公开资料表明,在国内外,对超声波风速风向测量的设计研究工作已经取得了比较大的发展及应用,但相对于三维超声波风速风向测量的应用优势及市场需求的增加而言,相关的设计研究工作相对于二维平面风参数测量的研究依然进行的较少。波束成形算法是阵列信号处理理论中的一种典型算法,其算法计算量较小,实时性高在空域滤波及抑制噪声方面有很大的优越性。本文将利用波束成形算法的理论优势,将其应用到三维风参数测量领域中,以此来提高三维空间中风速风向的测量精度,并为三维风参数的测量方法提供一种新思路。本文的主要工作内容如下:(1)本文设计了一种三维半球形超声波传感器阵列结构,建立了风场环境中各接收阵元所接收超声波信号的数学模型,并推导了其阵列流型矢量,在此基础上,结合了阵列信号处理中典型的波束成形算法,通过谱峰搜索及三维空间矢量的分解与合成进行了空间中三维风速值、风向角及俯仰角的测量。(2)对基于波束成形原理的三维风速风向测量方法的相关原理及测量性能和所遇到的相关问题展开分析和讨论:对所设计的超声波传感器阵列进行阵列流型矢量推导,并将其扩展到随机阵列;通过映射阵元位置的变化,深入解释了风参数对波束指向的影响;通过仿真实验,对比分析了不同准则下的波束成形和常规波束成形算法下的风速风向测量方法的可行性及相关性能;(3)通过搭建硬件实验平台对本文所提三维风参数测量方法进行可行性及工程可实现性验证:首先详细描述了所搭建实验平台的整体框架及各组成部分,并对实验风洞进行风洞性能测试;然后利用基于协方差矩阵的幅相误差校正方法对实验平台进行数据预处理;最后对硬件平台所测量结果进行了误差分析和讨论,并验证了本文所提方法的可行性及工程可实现性。