风速的测量是空气动力学及相关学科研究的基础之一。当前使用的风速仪种类繁多,工作原理和性能也都不相同。风速与温度的相关性比较强,温度是特别难以精确测量的量,超声波时差法可以消除空气中温度的影响。本文以设计和实现一种利用超声波时差法测量风速风向的测量系统为目标,对硬件电路设计、超声波回波数据采集、时差提取方法等内容进行研究。超声波风速风向仪硬件电路主要包括三个部分:主控模块、发射驱动模块、回波调理模块。主控模块采用DSP+FPGA架构,DSP负责时差提取、测量控制、与上位机通信等,FPGA配合DSP控制方波激励、通道选择、采集控制和数据存储等,并用12位高精度ADC做数字采集。发射驱动模块将方波信号通过通道切换芯片选通后,升压至300Vpp,激励换能器发射超声波信号。回波调理模块应用电荷放大器将换能器电荷信号转变为微弱电压信号,程控放大器将其放大用于数字采集。设计合理适用的仪器结构,可以根据实际需要调节传感器距离。根据结构建立风速风向解算的数学模型。设计时差提取算法,根据回波信号性质提出一种基于可变阈值过零点检测的回波到时算法。详细设计测量系统主程序和与上位机的通信协议。本文还分析了超声波风速风向仪的误差来源,依据误差的不同分类设计不同的误差校正算法。结合结构加工和安装误差,推导矩阵拟合校正算法。本文研制了基于时差法的超声波风速风向仪样机,搭建测量实验平台。利用仪器对风速风向测量进行了实验研究,分别在实验室和风洞进行了测量,和TSI热线仪进行对比试验。实验结果表明:超声波样机在低风速情况下,测量准确度较高,风速测量精度为0.1m/s,分辨率为0.01m/s,风向测量精度为1°;与TSI热线仪对比发现测量结果平均值相同,但是标准差比较大。