目前,超声波测风技术在国内外是一个研究热点,国内技术水平还不够成熟,高精度、高稳定性以及特殊环境下测量技术还有较大的发展空间。现阶段超声波测风技术研究大多集中在硬件系统方面,往往忽视了风场流动特性与算法噪声的影响,尤其在测风阵列优化设计方面仍需进行深入研究。本文针对传统超声波测风阵列的不足,研究了两种测风阵列的优化方法:基于改进时差法设计优化阵列并推导风速风向计算模型,运用CFD分析方法对测风阵列进行仿真对比实验,验证改进型阵列的测风精度;基于波束形成算法对测风阵列进行优化设计,详细推导测风算法并进行性能分析,通过仿真实验说明了本测风方法在低信噪比下具有良好测量效果,同时设计测风阵列绕流对比实验,验证环形阵列的精度与稳定性。针对垂直相交型阵列易受阴影效应影响的问题,根据时差法原理,采用三组超声波换能器互成120°放置,设计出一种具有三条独立测风路径的改进型测风阵列,并建立起风速风向计算模型。在建立CFD分析架构过程中,对常用分析方法进行筛选并选用有限体积法进行分析,引入流体力学的三大控制方程与湍流模型,选用RNG k-ε模型进行求解计算。利用Space Claim软件建立测风阵列及风洞模型,通过Meshing软件进行网格划分,使用Fluent软件改变模拟风洞内的风速及雷诺数等指标,仿真两种阵列在不同流态下的性能表现。将求解计算的结果通过CFD-POST软件进行后处理,得到速度分布云图以及测风路径速度曲线图,通过分析数据验证改进型阵列的优势。实测结果表明,改进型阵列能够有效改善阴影效应。为了解决强噪声环境下测量超声波传播时间差愈发困难的问题,从阵列信号处理算法的角度出发,对现有弧形阵列进行分析并探讨其优劣势,提出一种基于波束形成算法的超声波测风新方法,设计了环形阵列优化结构并对流型矩阵以及相关算法进行推导,通过性能分析探讨测风方法的合理性与可靠性。运用Matlab软件对测风算法进行仿真实验,验证其可行性并在不同信噪比下分析测量误差,说明本方法在复杂环境下具备可靠性,通过CFD分析方法对两种阵列进行绕流对比实验,验证环形阵列在受到湍流影响下的性能,为研制新式超声波测风系统提供了理论依据。