超声风速仪由于其在风速、风向测量方面的卓越性能被引入风沙物理学及沙尘暴研究中以获得相关风场信息。然而,对其在风沙环境下测量结果的准确性目前并无文献资料讨论。通过对超声风速仪测量原理及超声波在含颗粒物介质中传播速度变化的理论分析,讨论了沙尘暴环境下沙尘颗粒物体积浓度对超声风速仪测量结果的影响。数值计算结果表明,当沙尘颗粒体积分数超过50%时,超声风速仪测量值的相对误差超过10%,且随着颗粒物体积分数的增加,其测量误差呈指数形式递增。这一结果对于风沙环境中超声风速仪的正确使用具有非常重要的参考价值。

本文研究了数字化超声风速测量系统,提出并实现了完整的系统设计方案。该方案的核心是基于现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）的硬件系统架构和基于包络重心法的信号处理算法。该设计可实现超声信号的高速数据采集和复杂的信号处理算法。测试结果表明所实现的超声风速测量系统具有体积小、反应速度快、抗干扰能力强和分辨率高等优点,且具有成本优势,并保持较低的功耗。

时差法是超声风速风向测量系统的基本方法。文中首先对影响时差法测量精度的因素进行分析,针对这些影响因素,在超声换能器设计、阵型设计、电路系统设计和信号处理算法等方面提出了提高系统精度的设计方案,并制成样机。实验测试表明,文中所实现的系统已经基本达到国际尖端产品的测量精度,且具有体积小、可靠性高等优点,具有很高的实际应用价值。

利用1990年8月在中国西北戈壁地区进行的湍流仪器水平比较实验资料,对比分析了超声风速仪与三轴风速仪测风结果.结果表明超声风速仪和三轴风速仪的水平风速和水平风速脉动方差测量值的相关性在0.99以上,垂直风速脉动方差为0.93,摩擦速度的相关偏差仅为0.78.三轴风速仪的湍流谱曲线在其截止频率前约1个数量级时明显比超声风速仪结果偏低,且高频段谱曲线上翘.