随着科学技术的发展,风速风向测量在许多领域发挥着愈来愈重要的作用。在此背景下,风矢量测量仪器发展迅速,测量手段与方法日益丰富,这其中包括近年来快速发展的超声波测风法。超声波风速风向仪与传统机械式风速仪相比,无转动部件,机器损耗小,且无需起动风速。超声波在空气中传播固定距离时,顺风逆风传播存在一个时间差,这个时间差与待测风速具有线性关系。因此这个时间差就成为了风速测量系统的关键因素,如何提高这个时间差的测量精度便成为了本论文的设计要点。本文从两个方面对时间差的测量进行的研究并且做了如下工作：1、在分析时间差计算方面,因为信号的时间延迟是传感器检测的重要参数。为了提高时延估计的精度,本文提出了一种基于双谱的插值算法。该算法首先计算在这两个信号的双谱基础上的特征频谱函数,然后对该特征谱函数进行频域插值。通过傅立叶逆变换和极大值求法,根据相应公式计算得到这两个信号的延迟时间。仿真试验结果表明,与双谱为基础的时延估计方法相比,双谱插值为基础的时延估计方法在估计精度和时间分辨率方面有了很大的改善。该算法具有精度高,误差小,强抑制相关高斯噪声能力强等优点。2、在时差法风速测量系统的基础上,采用时序能力极强并且具有高频采样能力的FPGA芯片作为核心控制芯片对整个系统进行收发控制、数据处理、信息传输等。同时结合器件资源条件,综合时延估计信号处理算法,最后运用Verilog HDL语言和C语言进行编程,实现了高精度的超声波风速测量系统。