活立木木材密度测量方法及装置与流程

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种活立木木材密度测量方法及装置。

背景技术：

木材密度是活立木重要的物理性质，与活立木力学性质如弹性模量、抗弯曲性和抗压性以及木材利用有着密切的关系。它是评价木材质量、等级、强度等特性的一个重要指标，是研究活立木标志性利用与活立木培育相关性的常用指标，还是生态系统研究中生物量测定的基础量。

相关技术中，部分研究者采样活立木后，分别测定样品的体积和质量，利用质量和体积之比求得活立木的木材密度。部分研究者采样活立木后，将测定样品粉碎成木粉后利用傅立叶变换光谱仪扫描和采集近红外光谱，利用已获得的快速测定模型可测出样木相应的木材基本密度或生材密度。传统的称重法虽然原理简单、易于实践、估测结果精度高，但是需要按照标准采样，制作标准体积的试件，劳动强度大、花费时间长，而且需要直接在原材料上取试样，测量时间长，不利于现场检测。而对于近红外光谱测量法，树木不同切面试样的近红外光谱有较大的差异，对预测精度有较大影响，另外，试样厚度也对预测精度有影响，造成了木材密度测量误差较大。

部分研究者采用pilodyn方法对活立木的木材密度进行了检测研究，该方法工作原理是：以预先设定好的能量，将具有一定直径的探针射入到活立木内部，根据钢针射入深度与木材性质之间的相关性，来预测活立木的木材密度。该方法具有快速测定和对活立木损伤较小等优点，但存在的不足是，探针的射入深度有限，对于直径较大的活立木，探针仅停留在活立木边材部位，因而对于活立木的外侧密度具有较好预测效果，而对活立木整个径向的密度预测并不理想。另外，树皮对测试具有较大的影响，有时需要剥去树皮进行测试才能得到比较理想的结果，这样则会对活立木带来新的创伤。

技术实现要素：

为了克服相关技术中存在的活立木木材密度测量方法耗时、对活立木有损伤和木材密度测量误差大的问题，本发明实施例提供了一种活立木木材密度测量方法和装置，降低了测量活立木的木材密度的耗时和对活立木的损伤，提高了对活立木整个径向的密度测量范围进而提高了测得的木材密度的准确性。

根据本发明的一方面，提供一种活立木木材密度测量方法，包括：

测量活立木的距离地面第一高度处的待测部位的直径；

在空气中相隔大于所述直径的第一距离发射与接收预设频率范围的微波，测量不同频率时发射微波信号与第一接收微波信号的第一比值；

在空气中于所述第一高度处发射所述微波使得所述微波穿透所述活立木的所述待测部位，并且在与所述微波的发射位置相隔所述第一距离处接收所述微波，测量不同频率时所述发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值；

根据所述第一比值、所述第二比值和所述直径，计算所述活立木的介电常数和衰减常数；

确定所述活立木的木材密度与所述介电常数和衰减常数的关系式，并根据所述关系式计算所述活立木的所述木材密度。

可选地，所述测量方法还包括：

在所述活立木的所述待测部位的不同方向多次测量所述第二比值；

根据所述第一比值、多次测量的所述第二比值和所述直径，分别计算不同方向的所述活立木的所述待测部位的介电常数和衰减常数；

根据所述关系式，分别计算不同方向的所述活立木的所述待测部位的木材密度；

计算所述不同方向的所述活立木的所述待测部位的木材密度的平均值，得到所述活立木的所述待测部位的平均木材密度。

可选地，所述根据所述第一比值、所述第二比值和所述直径，计算所述活立木的介电常数和衰减常数包括：

利用傅里叶逆变换计算所述第一比值和所述第二比值对应的第一时域数据和第二时域数据；

根据所述第一时域数据和所述第二时域数据，计算所述微波在所述活立木的所述待测部位的传输时间和幅度衰减；

根据所述传输时间和所述直径计算所述活立木的介电常数；以及

根据所述幅度衰减和所述直径计算所述活立木的衰减常数。

可选地，所述根据所述第一时域数据和所述第二时域数据，计算所述微波在所述活立木的所述待测部位的传输时间和幅度衰减包括：

选取所述第一时域数据的波形的幅值最大值处，确定所述幅值最大值处对应的第一时间和第一幅值；

选取所述第二时域数据的波形的幅值最大值处，确定所述幅值最大值处对应的第二时间和第二幅值；

根据所述第一时间、所述第二时间和所述直径，计算所述传输时间；

根据所述第一幅值和所述第二幅值，计算所述幅度衰减。

可选地，所述活立木的木材密度与所述介电常数和衰减常数的关系式为：

其中，ρ为所述活立木的木材密度，ε为所述活立木的介电常数，α为所述活立木的衰减常数，a、b、p、q是预先标定的与所述活立木的树种相关的参数。

根据本发明的另一方面，提供一种活立木木材密度测量装置，包括：

发射机，用于根据控制信号产生并发射预设频率范围的微波信号；

接收机，用于在与所述发射机相隔大于活立木的待测部位的直径的第一距离处，接收在空气中传播所述第一距离后的第一接收微波信号，将所述第一接收微波信号与发射微波信号正交解调以将所述第一接收微波信号转换为第一路基带信号和第二路基带信号，

接收穿透所述活立木的待测部位的第二接收微波信号，将所述第二接收微波信号与所述发射微波信号正交解调以将所述第二接收微波信号转换为第三路基带信号和第四路基带信号；

控制器，与所述发射机和所述接收机连接，用于向所述发射机提供所述控制信号、采集和存储所述第一路基带信号和第二路基带信号、所述第三路基带信号和第四路基带信号并且根据所述发射微波信号和所述第一路基带信号和第二路基带信号、所述第三路基带信号和第四路基带信号计算所述活立木的木材密度；

触摸屏，用于设置参数、发送用户指令给所述控制器和显示所述控制器的计算结果；

通信接口模块，用于从服务器获取所述活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式中的相关参数，并且将所述控制器的计算结果发送给所述触摸屏；

基准时钟模块，用于产生所述控制器和所述发射机所需的时钟基准；以及

电压转换器，用于对输入电源进行处理以提供所需的各类二次电源。

可选地，所述接收机包括：预选滤波器、前置放大器、pi型衰减器、后置放大器、正交解调器、低通滤波器和模数转换器，

所述预选滤波器，用于滤除所述第一接收微波信号和所述第二接收微波信号中的干扰信号；

所述前置放大器和所述后置放大器，用于放大预选滤波后的所述第一接收微波信号和所述第二接收微波信号；

所述pi型衰减器，用于调节整个接收链路的放大增益；

所述正交解调器，用于将所述后置放大器输出的所述第一接收微波信号与所述发射微波信号正交解调得到所述第一接收微波信号的所述第一路基带信号和第二路基带信号，

将所述后置放大器输出的所述第二接收微波信号与所述发射微波信号正交解调得到所述第二接收微波信号的所述第三路基带信号和第四路基带信号；

所述低通滤波器，用于滤除所述第一路基带信号和第二路基带信号、所述第三路基带信号和第四路基带信号的干扰高频信号；

所述模数转换器，用于将所述第一路基带信号和第二路基带信号、所述第三路基带信号和第四路基带信号分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号、第三路数字信号和第四路数字信号。

可选地，所述控制器包括：数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、系统控制模块和数据传输模块，

所述数据采集模块，用于控制所述模数转换器以采集所述第一接收微波信号的所述第一路数字信号和第二路数字信号、所述第二接收微波信号的所述第三路数字信号和第四路数字信号；

所述数据存储模块，用于存储所述第一路数字信号和第二路数字信号、所述第三路数字信号和第四路数字信号、所述活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式中的所述相关参数、所述直径；

所述数据处理模块，用于根据所述第一路数字信号和第二路数字信号来计算不同频率时所述发射微波信号与所述第一接收微波信号的第一比值，

根据所述第三路数字信号和第四路数字信号来计算不同频率时所述发射微波信号与所述第二接收微波信号的第二比值，

根据所述第一比值、所述第二比值、所述直径和所述相关参数，利用所述介电常数和衰减常数的计算公式、所述活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的所述关系式来计算所述活立木的木材密度；

所述系统控制模块，用于接收所述触摸屏设置的参数、用户指令和/或所述数据处理模块的计算结果，向所述发射机发射所述控制信号，或将所述计算结果发送给所述通信接口模块；

所述数据传输模块，用于为所述控制器的各个模块之间提供数据通路。

根据本发明的又一方面，提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时实现如上所述的活立木木材密度测量方法。

根据本发明的再一方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序产品，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被移动终端执行时，使所述移动终端执行上述活立木木材密度测量方法的步骤。

本发明的实施例具有以下优点或有益效果：

(1)本发明实施例的木材密度测量过程简单，无需按照标准来采样、制作标准体积的试件，因而节省了人力、物力和耗时，并且不需要从活立木上取试样，实现了对活立木的无损测量，方便现场测量。计算木材密度的关系式中的相关参数是通过预先试验得到的，并且其通过了检测，符合测量精度，因而得到的木材密度也符合测量精度，保证了本发明实施例的测量精度。微波可以穿透活立木的待测部位，测量整个径向方向的木材密度，提高了对活立木整个径向的木材密度测量范围进而提高了测得的木材密度的准确性。

(2)从不同方向测量活立木的待测部位的木材密度，计算不同方向的活立木的待测部位的木材密度的平均值，得到活立木的待测部位的平均木材密度。由于微波可以从不同方向穿透活立木的待测部位，可以从不同方向测量待测部位的整个径向方向的木材密度，计算不同方向的活立木的待测部位的木材密度的平均值，进而进一步提高了测得的木材密度的准确性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明的一个实施例的活立木木材密度测量方法的流程示意图。

图2示出本发明的一个实施例的活立木木材密度测量方法的应用场景图。

图3示出本发明的一个实施例的微波在空气中传输的时域数据的波形图。

图4示出本发明的一个实施例的微波在活立木和空气中传输的时域数据的波形图。

图5示出本发明的一个实施例的微波在活立木的待测部位的传输时间和幅度衰减的测量方法的流程示意图。

图6示出本发明的一个实施例的活立木的木材密度、水分和介电常数的关系图。

图7示出本发明的一个实施例的活立木木材密度的测量密度和实际密度的对比图。

图8示出本发明的一个实施例的活立木木材密度测量装置的框图。

图9示出本发明的一个实施例的接收机的框图。

图10示出本发明的一个实施例的控制器的框图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。另外附图不一定是按比例绘制的。

本发明采用微波方法来测量活立木的木材密度，其测量机理为：木材的介电常数是表征木材在交流电场作用下介质的极化强度和介电体存储电荷能力的物理参数。木材的介电常数不是常量，影响木材介电常数的通常有木材含水率、木材密度、微波频率、树种等因素。当木材密度增大时，实际上就是细胞壁实质物质的体积百分率增大，由于实质物质的体积百分率增大，导致单位木材体积内偶极子数目增加，增强了木材的极化反应，所以木材的介电常数也随之增大。

衰减常数是传输常数之一，表示电磁波或电信号在传输过程中振幅或功率衰减的参数。微波穿透活立木时，其幅度会因为活立木的反射、吸收和散射而衰减，其传播速度会因为活立木的色散而变小，表征为衰减常数。因此，当将介电常数、衰减常数与木材的密度相关联时，可以通过介电常数和衰减常数获得木材密度。

图1是本发明的一个实施例的活立木木材密度测量方法的流程示意图。具体包括以下步骤：

在步骤s110中，测量活立木的距离地面第一高度处的待测部位的直径。

在本步骤中，针对待测量的活立木，测量活立木的距离地面第一高度h处的待测部位的直径d。第一高度h例如是活立木的胸高位置处，对应的直径是活立木的胸径d。

在步骤s120中，在空气中相隔第一距离发射与接收预设频率范围的微波，测量不同频率时发射微波信号与第一接收微波信号的第一比值。

在该步骤中，在空气中发射预设频率范围的微波，这里的预设频率范围的微波是与待测活立木的密度相适应的微波波段，即与待测活立木的密度最为敏感的微波波段，例如2ghz至8ghz。在与微波发射位置相隔第一距离d的位置接收预设频率范围的微波，测量不同频率ω时发射微波信号x(ω)与第一接收微波信号y0(ω)的第一比值h0(ω)。第一距离d大于直径d。可选地，微波的发射位置和接收位置距离地面的高度为第一高度h。

在步骤s130中，在空气中于所述第一高度处发射所述微波使得所述微波穿透所述活立木的所述待测部位，并且在与所述微波的发射位置相隔所述第一距离处接收所述微波，测量不同频率时所述发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值。

图2是本发明的一个实施例的活立木木材密度测量方法的应用场景图。如图2所示，待测活立木210位于预设频率范围的微波的发射端220和接收端230之间，微波经发射端220发射后穿透活立木210的待测部位到达接收端230。发射端220和接收端230相隔第一距离d，活立木210的待测部位距离地面为第一高度h，相应的第一高度h处的活立木210的待测部位的直径为d。

在该步骤中，在如图2所示的应用场景中，在空气中于第一高度h处发射预设频率范围的微波使得微波穿透活立木210的待测部位，并且在与微波的发射位置(发射端220)相隔第一距离d处(接收端230)接收微波，测量不同频率ω时发射微波信号x(ω)与第二接收微波信号yw(ω)的第二比值hw(ω)。

在步骤s140中，根据所述第一比值、所述第二比值和所述直径，计算所述活立木的介电常数和衰减常数。

在该步骤中，根据第一比值h0(ω)、第二比值hw(ω)和直径d，计算活立木的介电常数ε和衰减常数α。

具体包括：利用傅里叶逆变换计算第一比值h0(ω)和第二比值第二比值hw(ω)对应的第一时域数据h0(t)和第二时域数据hw(t)。

根据第一时域数据h0(t)和第二时域数据hw(t)，计算微波在活立木的待测部位的传输时间δt和幅度衰减δa。图3是本发明的一个实施例的微波在空气中传输的时域数据的波形图，具体示出了第一时域数据h0(t)的波形图。如图3所示，第一时域数据h0(t)的纵坐标为幅度值，横坐标为时间，第一时域数据h0(t)的波形的幅值最大值处为点m0(t0，a0)。图4是本发明的一个实施例的微波在活立木和空气中传输的时域数据的波形图，具体示出待测活立木为香杉，距离地面高度为130cm的待测部位直径d＝13.3cm，微波的发射端220和接收端230相隔第一距离d＝30cm，测量得到的发射微波信号x(ω)与第二接收微波信号yw(ω)的第二比值hw(ω)对应的第二时域数据hw(t)波形图。如图4所示，第二时域数据hw(t)的纵坐标为幅度值，横坐标为时间，第二时域数据hw(t)的波形的幅值最大值处为点m1(t1，a1)。

图5是本发明的一个实施例的微波在活立木的待测部位的传输时间和幅度衰减的测量方法的流程示意图。具体包括以下步骤：

在步骤s510中，选取如图3所示的第一时域数据h0(t)的波形的幅值最大值处m0(t0，a0)，确定幅值最大值处m0(t0，a0)对应的第一时间t0和第一幅值a0。

在步骤s520中，选取如图4所示的第二时域数据hw(t)的波形的幅值最大值处m1(t1，a1)，确定幅值最大值处m1(t1，a1)对应的第二时间t1和第二幅值a1。

在步骤s530中，根据第一时间t0、第二时间t1和直径d，计算传输时间δt。微波在活立木的待测部位的传输时间δt的计算公式为：

δt＝t1-t0+d/c(1)

其中，δt为微波在活立木的待测部位的传输时间，t1为微波在活立木和空气中传输的第二时域数据hw(t)的波形的幅值最大值处m1(t1，a1)对应的第二时间，t0为微波在空气中传输的第一时域数据h0(t)的波形的幅值最大值处m0(t0，a0)对应的第一时间，d为活立木的距离地面第一高度h处的待测部位的直径，c为微波在空气中的传播速度。

在步骤s540中，根据第一幅值a0和第二幅值a1，计算幅度衰减δa。微波在活立木的待测部位的传输时的幅度衰减δa的计算公式为：

δa＝-20lg(a1/a0)(2)

其中，δa为微波在活立木的待测部位的传输时的幅度衰减，a1为微波在活立木和空气中传输的第二时域数据hw(t)的波形的幅值最大值处m1(t1，a1)对应的第二幅值，t0为微波在空气中传输的第一时域数据h0(t)的波形的幅值最大值处m0(t0，a0)对应的第一幅值。

根据传输时间δt和直径d计算活立木的介电常数ε。对应预设频率范围的微波的活立木的介电常数ε的计算公式为：

ε＝(δtc/d)²(3)

其中，ε活立木的介电常数，δt为微波在活立木的待测部位的传输时间，d为活立木的距离地面第一高度h处的待测部位的直径，c为微波在空气中的传播速度。

根据幅度衰减δa和直径d计算活立木的衰减常数α。对应预设频率范围的微波的活立木的衰减常数α的计算公式为：

α＝δa/(8.686d)(4)

其中，α活立木的衰减常数，δa为微波在活立木的待测部位的传输时的幅度衰减，d为活立木的距离地面第一高度h处的待测部位的直径。

在步骤s150中，确定所述活立木的木材密度与所述介电常数和衰减常数的关系式，并根据所述关系式计算所述活立木的所述木材密度。

木材的介电常数不是常量，影响木材介电常数的通常有木材含水率、木材密度、微波频率、树种等因素。图6是本发明的一个实施例的活立木的木材密度、水分和介电常数的关系图，具体示出待测活立木为香杉。如图6所示，横坐标为对应预设频率范围的微波的活立木的介电常数ε，纵坐标为活立木的木材密度，图中的多个测试点对应的水分不同，从图中可以得到杉木密度、水分与介电常数的关系为线性关系。

在该步骤中，根据图6所示的活立木的木材密度、水分和介电常数的关系图以及水分和衰减常数的关系，可以推导出活立木的木材密度ρ与介电常数ε、衰减常数α的关系式为：

其中，ρ为活立木的木材密度，ε为对应预设频率范围的微波的活立木的介电常数，α为对应预设频率范围的微波的活立木的衰减常数，a、b、p、g是预先标定的与活立木的树种等属性相关的参数。树种等属性是指活立木树种、树木部位、树龄和生长地区等。

图7是本发明的一个实施例的活立木木材密度的测量密度和实际密度的对比图。按照本发明实施例中的活立木木材密度测量方法多次测量木材密度，如图7所示，多次测量的活立木木材密度与活立木实际密度相比，平均误差为0.03g/m³。

根据本发明实施例，针对待测量的活立木，测量活立木的距离地面第一高度处的待测部位的直径。在空气中相隔第一距离发射与接收预设频率范围的微波，测量不同频率时发射微波信号与第一接收微波信号的第一比值。在空气中于第一高度处发射微波使得微波穿透活立木的待测部位，并且在与微波的发射位置相隔第一距离处接收微波，测量不同频率时发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值。根据第一比值、第二比值和直径，计算活立木的介电常数和衰减常数。确定活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式，并根据关系式计算活立木的木材密度。本发明实施例的木材密度测量过程简单，无需按照标准来采样、制作标准体积的试件，因而节省了人力、物力和耗时，并且不需要从活立木上取试样，实现了对活立木的无损测量，方便现场测量。计算木材密度的关系式中的相关参数是通过预先试验得到的，并且其通过了检测，符合测量精度，因而得到的木材密度也符合测量精度，保证了本发明实施例的测量精度。微波可以穿透活立木的待测部位，测量整个径向方向的木材密度，提高了对活立木整个径向的木材密度测量范围进而提高了测得的木材密度的准确性。

在本发明的一些实施例中，重复步骤s120至步骤s150，从不同方向测量活立木的待测部位的木材密度，即在活立木的待测部位的不同方向多次测量不同频率时发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值；根据第一比值、多次测量的第二比值和直径，分别计算不同方向的活立木的待测部位的介电常数和衰减常数；根据关系式，分别计算不同方向的活立木的待测部位的木材密度；计算不同方向的活立木的待测部位的木材密度的平均值，得到活立木的待测部位的平均木材密度。由于微波可以从不同方向穿透活立木的待测部位，可以从不同方向测量整个径向方向的活立木的待测部位的木材密度，计算不同方向的活立木的待测部位的木材密度的平均值，进而进一步提高了测得的木材密度的准确性。

图8是本发明的一个实施例的活立木木材密度测量装置的框图。如图8所示，该活立木木材密度测量装置包括：发射机810、接收机820、控制器830、触摸屏840、通信接口模块850、基准时钟模块860和电压转换器870。发射机810包括发射天线811、接收机820包括接收天线821。

发射机810，主要包括锁相环频率合成器、功分器和功率放大器，用于根据控制信号产生一定功率的频率步进微波并发射预设频率范围的微波信号。

接收机820，用于在与发射机810相隔大于活立木的待测部位的直径的第一距离处，接收在空气中传播第一距离后的第一接收微波信号，将第一接收微波信号与发射微波信号正交解调以将第一接收微波信号转换为第一路基带信号和第二路基带信号，进而提取出幅度和相位信息，接收穿透活立木的待测部位的第二接收微波信号，将第二接收微波信号与发射微波信号正交解调以将第二接收微波信号转换为第三路基带信号和第四路基带信号，进而提取出幅度和相位信息。

发射机810的发射天线811和接收机820的接收天线821均采用宽带定向天线。发射天线811和接收天线821分别通过电缆组件与发射机810和接收机820相连接，发射天线811向待测对象发送微波信号，接收天线821接收第一接收微波信号和第二接收微波信号。

控制器830，与发射机810和接收机820连接，用于向发射机810提供控制信号，包括触发信号和时序控制信号、从接收机820采集和存储第一路基带信号和第二路基带信号、第三路基带信号和第四路基带信号并且根据发射微波信号和第一路基带信号和第二路基带信号、第三路基带信号和第四路基带信号计算活立木的木材密度。在一些实施例中，控制器830还用于向接收机820提供触发信号和时序控制信号。在一些实施例中，控制器830还用于向服务器传送数据。

触摸屏840，用于设置参数、发送用户指令给控制器830和显示控制器830的计算结果。

通信接口模块850，用于实现控制器830与服务器之间的数据交互，从服务器获取活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式(公式(5))中的相关参数，并且将控制器830的计算结果发送给触摸屏840。

基准时钟模块860，用于产生控制器830和发射机810所需的时钟基准。

电压转换器870，用于对输入电源进行处理以提供活立木木材密度测量装置中各个功能模块、器件的所需的各类二次电源。活立木木材密度测量在野外进行，活立木木材密度测量装置采用锂电池供电，电压转换器870还具有电源管理功能，可以在锂电池供电和输入电源供电之间切换。

图9是本发明的一个实施例的接收机的框图。如图9所示，考虑到不同活立木的密度和含水量变化范围较大，接收机820包括：预选滤波器910、前置放大器920、pi型衰减器930、后置放大器940、正交解调器950、低通滤波器960和模数转换器970。接收机820中的前置放大器920、pi型衰减器930和后置放大器940采用两级放大和一级pi型衰减器来完成射频信号前端放大。

预选滤波器910，用于滤除第一接收微波信号和第二接收微波信号中的干扰信号。

前置放大器920和后置放大器940，用于放大预选滤波后的第一接收微波信号和第二接收微波信号。

pi型衰减器930，用于调节整个接收链路的放大增益，保证接收机820中所有器件都工作在线性区。

正交解调器950，用于将后置放大器940输出的第一接收微波信号与发射微波信号解调得到第一接收微波信号的第一路基带信号和第二路基带信号，将后置放大器940输出的第二接收微波信号与发射微波信号正交解调得到第二接收微波信号的第三路基带信号和第四路基带信号，进而提取出第一接收微波信号和第二接收微波信号的幅度和相位信息。

第一路基带信号和第二路基带信号是一组正交信号，第一路基带信号和第二路基带信号的相位相差90度。例如，第一路基带信号是i路基带信号，第二路基带信号是q路基带信号。第三路基带信号和第四路基带信号是一组正交信号，第三路基带信号和第四路基带信号的相位相差90度。例如，第三路基带信号是i路基带信号，第四路基带信号是q路基带信号。

低通滤波器960，用于滤除第一路基带信号和第二路基带信号、第三路基带信号和第四路基带信号的干扰高频信号。

模数转换器970，用于将第一路基带信号和第二路基带信号、第三路基带信号和第四路基带信号分别采样量化为第一路数字信号和第二路数字信号、第三路数字信号和第四路数字信号。例如，第一路数字信号是i路数字信号，第二路数字信号是q路数字信号，第三路数字信号是i路数字信号，第四路数字信号是q路数字信号。

i路基带信号和q路基带信号为矢量，因此，可以用三角恒等式计算第一接收微波信号的幅度衰减和相移，以及第二接收微波信号的幅度衰减和相移，如下式：

其中，τ为第一接收微波信号或第二接收微波信号的幅度衰减，vi为第一接收微波信号或第二接收微波信号的i路数字信号，vq为第一接收微波信号或第二接收微波信号的q路数字信号。

其中，为第一接收微波信号或第二接收微波信号的相移，vi为第一接收微波信号或第二接收微波信号的i路数字信号，vq为第一接收微波信号或第二接收微波信号的q路数字信号。

图10是本发明的一个实施例的控制器的框图。考虑到活立木木材密度测量装置的控制功能具有周期性重复的特点及对控制信号的并行输出要求，如图10所示，采用fpga来实现测量装置中控制器830的逻辑控制，充分发挥fpga的高集成度、低功耗等优势，另外fpga的可编程特性便于以后控制器830的升级换代。如图10所示，控制器830包括：数据采集模块1010、数据存储模块1020、数据处理模块1030、系统控制模块1040和数据传输模块1050。

数据采集模块1010，用于控制模数转换器970以采集第一接收微波信号的第一路数字信号和第二路数字信号、第二接收微波信号的第三路数字信号和第四路数字信号。

数据存储模块1020，用于存储第一接收微波信号的第一路数字信号和第二路数字信号、第二接收微波信号的第三路数字信号和第四路数字信号、活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式(公式(5))中的相关参数、活立木的待测部位的直径。

数据处理模块1030，用于分析接收到的数字信号，根据数据存储模块1020中存储的第一路数字信号和第二路数字信号，利用公式(6)和(7)计算第一接收微波信号的幅度衰减和相移。根据第一接收微波信号的幅度衰减和相移计算发射微波的频域信号与第一接收微波的频域信号的第一比值。根据数据存储模块1020中存储的第三路数字信号和第四路数字信号，利用公式(6)和(7)计算第二接收微波的幅度衰减和相移。根据第二接收微波的幅度衰减和相移计算发射微波的频域信号与第二接收微波的频域信号的第二比值。

不同频率的发射微波信号与第一接收微波信号的第一比值和不同频率的发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值的计算公式为：

其中，h(ω)为不同频率ω的发射微波信号与第一接收微波信号的第一比值或者不同频率ω的发射微波信号与第二接收微波信号的第二比值，为第一接收微波信号或第二接收微波信号的相移，τ为第一接收微波信号或第二接收微波信号的幅度衰减。

根据第一比值、第二比值、直径和相关参数(公式(5)中的相关参数)，利用介电常数和衰减常数的计算公式(公式(1)至公式(4))、活立木的木材密度与介电常数和衰减常数的关系式(公式(5))来计算活立木的木材密度。

系统控制模块1040，用于接收触摸屏840设置的参数、用户指令和/或数据处理模块1030的计算结果，向发射机810发射控制信号，或将计算结果发送给通信接口模块850；

数据传输模块1050，用于为控制器830的各个模块之间提供数据通路。

相应地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时实现上述活立木木材密度测量方法所规定的操作。

相应地，本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被移动终端执行时，使所述移动终端执行上述活立木木材密度测量方法的步骤。

附图中的流程图、框图图示了本发明实施例的系统、方法、装置的可能的体系框架、功能和操作，流程图和框图上的方框可以代表一个模块、程序段或仅仅是一段代码，所述模块、程序段和代码都是用来实现规定逻辑功能的可执行指令。也应当注意，所述实现规定逻辑功能的可执行指令可以重新组合，从而生成新的模块和程序段。因此附图的方框以及方框顺序只是用来更好的图示实施例的过程和步骤，而不应以此作为对发明本身的限制。

以上所述仅为本发明的一些实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。