超声波风矢量测量方式相比于其它测量方式具有量程大、无启动风速、无机械磨损等优点,但国内现有超声波风速仪测量误差较大,无法实现矿道等低风速场景下的精确测量。本文以超声波时差法为基础研制数字式超声波风矢量测量仪,实现对风矢量的高精度测量。Alpha噪声比高斯噪声能更好的表示实际环境中的噪声,高斯噪声下具有较好渡越时间检测精度的时延估计算法在受Alpha噪声干扰时性能变差,无法满足本课题的需求。针对这一问题,将归一化互相关法应用在超声波渡越时间检测中,并进行仿真实验,结果表明基于归一化互相关的时延估计算法在Alpha噪声下的时延估计误差小于0.3us,可以满足本课题的预期技术指标。时延估计算法在超声波渡越时间检测领域的现有应用方法为基准信号法,但实际环境下接收的超声波信号会受到不同的干扰,导致与基准信号的相关性减弱,时延估计结果误差增大。针对这一问题,本文提出了一种利用反射信号作为参考信号的方法。该方法使用反射信号与初次接收信号进行时延估计,并通过对比实验验证了该方法相比基准信号法,能够提高系统在实际环境下的时延估计精度。本课题设计的风矢量测量系统在河北省气象局标准风洞进行了系统测试。实验结果表明,本系统在小于10m/s风速时,最大风速误差为0.08m/s,在10~40m/s范围内最大相对误差为1.65%,远高于测风仪器的误差要求。在实际环境中与VAISALA WXT-532型风速风向仪进行对比测试,两设备瞬时风速最大差值为0.28m/s,瞬时风向最大差值为3.7°,表明本系统的在实际环境下具有较好的稳定性。