基于Zynq的微波水分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)水分檢測系統(tǒng)存在的功耗高、精度不足和分辨率低等問題，設(shè)計(jì)了一款基于Zynq 的微波水分檢測系統(tǒng)。提出了一種基于線性調(diào)頻（linear frequency modulation，LFM）信號(hào)的微波水分測量方法，使用脈沖壓縮技術(shù)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其應(yīng)用于海綿的水分檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量精度高且誤差小，平均絕對(duì)誤差和均方根誤差均在1% 左右；系統(tǒng)待機(jī)和運(yùn)行時(shí)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(qū)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(tǒng)成功提高了微波水分測量的分辨率。

關(guān)鍵詞：微波測量系統(tǒng)；線性調(diào)頻信號(hào)；脈沖壓縮技術(shù)；Zynq

中圖分類號(hào)：TN97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)品等質(zhì)量和性能的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)的水分檢測方法如烘干法、近紅外光譜法、卡爾·費(fèi)休法等普遍存在操作復(fù)雜、測量時(shí)間長、易受外部環(huán)境影響等問題[2]。與傳統(tǒng)的水分檢測方法相比，微波水分檢測具有快速、實(shí)時(shí)、無損和非接觸等顯著優(yōu)勢(shì)，適用于大規(guī)模在線檢測。傳統(tǒng)的微波水分檢測系統(tǒng)使用分立的模擬器件和單頻信號(hào)進(jìn)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(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了基于Zynq 的微波水分檢測系統(tǒng)。Zynq 平臺(tái)結(jié)合了高性能ARMCortex-A9 處理器和現(xiàn)場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array，F(xiàn)PGA）， 能夠在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)時(shí)響應(yīng)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(shí)，針對(duì)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(diào)頻（linear frequency modulation，LFM）信號(hào)的微波水分測量方法，并使用脈沖壓縮技術(shù)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提高微波信號(hào)的分辨率。本文使用海綿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。