介绍了风速风向仪的几种实现方式,对采用超声来实现风速测量的几种方法的原理、各自的优缺点,以及影响测量精度因素进行了讨论,并对超声风速风向仪国内外的国内外研究现状做了介绍。分别从超声换能的谐振频率与到达时间测量准确度、超声传播衰减特性、发射信号指向性等几个参数的关系的角度进行了分析,选择了适合的工作频率。对换能器结构、换能器的压电材料、声阻抗匹配层设计、背衬材料、工艺流程等进行了讨论。分析了两种类型超声换能器的设计方法:第一种是工作在径向振动模式来实现的单频压电超声换能器;第二种是利用压电材料柱体的径向和纵向振动模态接近,通过两种模态耦合来形成的宽带换能器。多换能器组的空间拓扑结构对矢量风速的测量准确度有重要影响,本文对直通式和反射式两种结构分别进行了分析,提出了一种两者相结合的超声探头拓扑结构,并采用计算流体动力学技术对其进行了仿真分析,拓展了单个超声探头的风速测量范围。文中利用FPGA内部的锁相环设计了激励调制信号产生电路,驱动电路采用MOSFET电路实现。接收端的超声探头输出的探测信号幅度非常小,包含大量因声学干扰和电学干扰引起的噪声信号,本文设计了一种多级放大、滤波结构,放大信号的同时很好地抑制了噪声信号。放大后的模拟信号被数模转换电路转换成数字信号,并送入FPGA进行处理。文章采用硬件编程语言,实现了超声信号传播时间测量,讨论并比较了过零检测法、相位检测法和相关检测法等三种超声信号到达时间测量方法。本文完成了一种二维超声风速风向仪设计,通过采用直通式与反射式相结合的超声探头,使风速仪在0~150m/s风速范围内的测量准确度优5%。