众所周知,在各类气象要素中,风是最活跃的要素之一。风速的测量在军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面具有重要的用途,而目前常用的风速仪已不能满足日益增长的测量需求。风速仪的主流发展方向已经转向了具有结构简单、抗振动、测量速度快、精度高、测量范围宽、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点的超声波测风仪。国外对超声波测量的研究与应用己经发展了一百多年,很快就研制出了测量精度高、稳定性好的超声波测风仪器,而国内由于研究较晚加上国外的技术封锁,仅有个别厂商生产出成型产品,与国外同类产品也存在较大差距,所以国外普通产品卖到国内的价格都在万元以上。因此,国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的同类产品的研发,提高竞争力,降低本国企事业单位的生产和测量成本。基于以上原因,同时受长春气象仪器研究所委托,本文针对超声波测风的关键技术展开研究,并将其应用到实际的超声波测风系统中。本文取得的主要科研成果如下:1)由于硬件电路的限制,模拟式改进型时差法超声测风系统不能有效的抑制噪声和干扰,因此造成仪器在高风速时不能准确的测量出时延,从而严重影响风速的测量结果,优化模拟电路的设计和制作可在一定程度上提高测量效果,但以目前长春气象仪器研究所(或者说国内气象仪器生产单位)的技术水平,很难在模拟电路的设计和制作上有所突破,以提高超声测风仪的量程和精度,因此采用数字式超声回波信号时延估计的方法才是解决这个问题的捷径。2)基于循环统计量的循环相关法对高斯噪声和周期性干扰环境下的超声回波信号时延估计具有较小的均方根误差和较高的估计精度;但当超声回波信号中不仅含有高斯噪声,还含有脉冲冲击噪声(即alpha稳定分布噪声)时,基于二阶统计量的互相关和循环相关等算法和性能均出现退化,甚至失效。因此要求超声波测风系统中的时延估计算法必须对alpha稳定分布噪声、高斯噪声和周期性干扰均有效。3)提出了两种适用于分数低阶alpha稳定分布噪声、高斯噪声和周期性干扰环境下超声回波信号的时延估计方法:基于循环共变的超声回波信号时延估计算法和基于归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法;其中循环共变法在较低信噪比或较小噪声特征指数下具有比共变法更小的均方根误差和更高的精度,但存在均方根误差依然较大并且计算量大等问题,不能满足工程应用要求;而归一化循环相关法很好的解决了这些问题,具有工程应用价值;最后考虑到超声测风系统的处理器计算能力有限,而归一化循环相关法的计算量依然很大,所以提出了基于频移拆分和快速傅立叶变换的快速归一化循环相关算法,通过仿真实验和微处理器上的对比实验,表明快速算法的运算速度提高了50倍左右,为工程应用铺平了道路。4)对数字式超声测风系统的硬件结构和电路进行了设计和调试;然后针对归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法的软件程序进行了设计;最后分别在无风环境、自制小风洞和DE1-5型低速风洞中进行了测试和分析,验证了基于归一化循环相关法的数字式超声测风系统满足本文提出的设计要求,风速测量指标高于国内外先进同类产品的水平。