基于Zynq的微波水分檢測系統設計及應用

摘要：針對傳統水分檢測系統存在的功耗高、精度不足和分辨率低等問題，設計了一款基于Zynq 的微波水分檢測系統。提出了一種基于線性調頻（linear frequency modulation，LFM）信號的微波水分測量方法，使用脈沖壓縮技術對測量數據進行處理，并將其應用于海綿的水分檢測。實驗結果表明，系統的測量精度高且誤差小，平均絕對誤差和均方根誤差均在1% 左右；系統待機和運行時的功耗分別為0.96 W 和4.26 W，滿足低功耗的需求。在低含水率區間（10% 以下），含水率每變化1% 微波功率損耗變化約為4.5%，證明該檢測系統成功提高了微波水分測量的分辨率。

關鍵詞：微波測量系統；線性調頻信號；脈沖壓縮技術；Zynq

中圖分類號：TN97 文獻標識碼：A

0 引言

水分含量（moisture content，MC）是衡量原材料如糧食、木材、藥品、化學品等質量和性能的關鍵指標[1]。傳統的水分檢測方法如烘干法、近紅外光譜法、卡爾·費休法等普遍存在操作復雜、測量時間長、易受外部環境影響等問題[2]。與傳統的水分檢測方法相比，微波水分檢測具有快速、實時、無損和非接觸等顯著優勢，適用于大規模在線檢測。傳統的微波水分檢測系統使用分立的模擬器件和單頻信號進行水分檢測，存在功耗高、精度不足以及分辨率低的問題[3-4]。

針對上述問題，本文設計了基于Zynq 的微波水分檢測系統。Zynq 平臺結合了高性能ARMCortex-A9 處理器和現場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array，FPGA）， 能夠在同一平臺上實現信號處理、數據計算和實時響應功能，具備高度的集成性和靈活性，可以滿足微波水分檢測的高精度、低功耗需求。同時，針對微波測量精度不足和分辨率低的問題，提出一種基于線性調頻（linear frequency modulation，LFM）信號的微波水分測量方法，并使用脈沖壓縮技術對測量數據進行處理，從而提高微波信號的分辨率。本文使用海綿進行實驗，并對測量數據進行對比分析。