文物是人類在社會(huì)活動(dòng)中遺留下來的具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值的遺物和遺跡，具有重要價(jià)值。文物是幫助現(xiàn)代人探尋歷史、還原歷史真相的最有力依據(jù)，同時(shí)也是歷史時(shí)間工藝水平的記錄。歷史是一個(gè)國家文化體系的重要組成部分，而文物又是一個(gè)國家悠久歷史的最生動(dòng)體現(xiàn)。因此在一定程度上，文物就可以反映一個(gè)民族的精神內(nèi)核。

為了通過文物了解歷史、也為了更好地保護(hù)這些文物，需要通過檢測手段和分析手段獲取文物制作年代、元素構(gòu)成、工藝、以及當(dāng)前有無腐蝕缺損等信息，并且很多文物與本身的基體密不可分，是無法單獨(dú)取下檢測的。因此，針對文物的檢測手段最重要的是沒有損傷，即對文物不會(huì)產(chǎn)生傷害，因此無損檢測技術(shù)在文物檢測中是十分重要的。

常規(guī)的無損檢測方法，比如射線成像、超聲波、拉曼光譜等方法，實(shí)際上在文物檢測領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用了。比如在鑒別真?zhèn)螒?yīng)用中，學(xué)者們常利用射線成像技術(shù)輕松識別殘片焊接的造假方式。而在文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析、元素分析等應(yīng)用中，像射線成像、CT技術(shù)、超聲波探傷技術(shù)、拉曼光譜等技術(shù)，都可以派上用場。 然而，這些方法存在一定的局限性。

拉曼、紅外等光譜方法能夠分析表面物質(zhì)成分，但穿透性差，對于厚度文物的內(nèi)部物質(zhì)難以分析；X射線和微波能夠穿透表面，但X射線的縱向分辨率差，且光子能量高，具有電離特性，對人體有輻射傷害；微波的橫向分辨率較低，均只能滿足部分要求。

太赫茲波是處于微波與紅外之間，定義頻率在0.1~10 THz, 波長在3~0.03 mm(1 THz = 10^12 Hz) 之間的電磁波。

由于太赫茲波在電磁波頻譜的特殊位置，其在文物檢測領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢：

光子能量低，不具有電離輻射；極易透過非極性和非金屬材料，包括陶瓷、帆布、木材、紙張等常見藝術(shù)品的承載材料；頻段處在許多生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級，可根據(jù)太赫茲波的強(qiáng)吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質(zhì)成分；太赫茲波段的高頻率對應(yīng)于更短的波長，能夠達(dá)到比微波成像更高的空間分辨率；不需要接觸表面，實(shí)現(xiàn)無損探測。

因此，太赫茲技術(shù)在文物檢測領(lǐng)域也有所應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)了許多文物表面以下隱藏的秘密。

太赫茲成像揭示了十字架上隱藏的銘文

佐治亞理工學(xué)院和佐治亞理工學(xué)院洛林分校的研究人員使用太赫茲成像和信號處理技術(shù)來觀察16世紀(jì)墓穴十字架的腐蝕表面下方情況，揭示了一個(gè)被時(shí)間掩蓋的信息：主禱文的銘文。

佐治亞理工學(xué)院的研究者站在他們研究中使用的16世紀(jì)葬禮十字架的圖像前

這個(gè)十字架是從一張鉛片上剪下來的，是在法國雷米爾蒙特修道院的墓地里發(fā)現(xiàn)的，它被稱為 croix d'absolution，是一種可以追溯到中世紀(jì)的葬禮十字架，在法國、德國和英國的遺址中被發(fā)現(xiàn)。博物館將十字架借給了Citrin的實(shí)驗(yàn)室，希望該團(tuán)隊(duì)可以使用成像技術(shù)看見未發(fā)現(xiàn)的信息。

該團(tuán)隊(duì)使用商用太赫茲掃描儀每隔 500 微米（大約每半毫米）探測十字架。該團(tuán)隊(duì)使用算法將十字架腐蝕表面與底層金屬表面反射的兩個(gè)回波之間的時(shí)間延遲處理成具有兩個(gè)峰值的信號，這些數(shù)據(jù)揭示了每個(gè)掃描點(diǎn)的腐蝕強(qiáng)度。然后收集從最下層金屬反射的光束的測量值，以形成腐蝕下方的鉛表面的圖像。

(a)腐蝕去除前的原始十字架，(b)處理后的最終太赫茲圖像，和(c)腐蝕去除后的十字架上的銘文比較

雖然在掃描過程中收集了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但原始圖像過于嘈雜和混亂，當(dāng)時(shí)的銘文仍然難以辨認(rèn)。但當(dāng)時(shí)在 Citrin 實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位的Junliang Dong有洞察力，能夠以一種特殊的方式處理圖像以消除噪聲。

通過減去和拼湊以不同頻率獲取的圖像部分，Dong能夠恢復(fù)和增強(qiáng)圖像，最終剩下的是一個(gè)令人驚訝的可讀性圖像，其中包含文字。使用處理后的圖像能夠識別多個(gè)拉丁詞和短語

，它們都是 Pater Noster 的一部分，通常被稱為主禱文。 該團(tuán)隊(duì)還與一位環(huán)保主義者合作，以化學(xué)方式去除了十字架上的腐蝕，證實(shí)了Pater Noster的銘文。

將他們的圖像與干凈的十字架進(jìn)行比較，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的圖像揭示了原始十字架上無法觀察到的銘文部分

。通過發(fā)現(xiàn)以前未記錄的銘文的其他方面，他們的工作能夠更深入地了解十字架，并進(jìn)一步洞察法國洛林的16世紀(jì)基督教。

太赫茲成像實(shí)現(xiàn)多層油畫檢測

Citrin的團(tuán)隊(duì)還使用太赫茲成像來觀察17世紀(jì)繪畫的表面之下，闡明油漆層結(jié)構(gòu)，并提供對大師畫家技術(shù)的見解。在2017年他們研究了Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato工作室的畫作“Madonna in Preghiera”，該畫作是從法國的黃金海岸博物館借來的。

藝術(shù)品的圖像。(a)可見光照片；(b)紫外熒光圖像；(c)紅外反射獲圖像

研究者使用太赫茲掃描儀，通過太赫茲輻射脈沖大約每200um檢測一次畫作。掃描儀發(fā)出的信號穿透繪畫的連續(xù)層，部分光束從油漆面反射回來，當(dāng)掃描儀以以光柵模式在畫上移動(dòng)時(shí)，可以收集到每層反射的信號。之后利用相關(guān)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，分離每層反射的信號以構(gòu)建圖像的三維映射。最終，

通過太赫茲成像技術(shù)確定了畫作的帆布支撐、印記、底色、圖案和清漆層，以及以前未了解到的清漆修復(fù)痕跡

。

畫作上測量到的反射原始太赫茲信號圖

在18世紀(jì)之前完成的繪畫一直很難研究，因?yàn)?/p>

它們的油漆層往往很薄，單個(gè)顏料層無法通過傳統(tǒng)技術(shù)解決。而太赫茲輻射可以很容易地穿透油漆層，搭配專業(yè)的數(shù)據(jù)處理算法可以區(qū)分只有20微米厚的層

。

這項(xiàng)技術(shù)使文物工作者能夠以高分辨率看到繪畫表面下的東西，深入評估使用了哪種繪畫技術(shù)，并確定可能存在哪些缺陷

。利用這一點(diǎn)，

研究者們可以獲得藝術(shù)史學(xué)家未了解到的畫作信息，還可以提供可能有助于保護(hù)和修復(fù)這些舊畫的信息

。

虹科太赫茲成像方案

人類共同的文化遺產(chǎn)需要全體的共同努力，對其進(jìn)行檢測、修復(fù)和保護(hù)以使文物能夠源遠(yuǎn)流長。針對于文物檢測的無損傷、穿透性多層分析、成像分辨率高的需求，

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同應(yīng)用場景的太赫茲成像檢測方案

。

01 虹科亞太赫茲NDT雷達(dá)

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達(dá)。150G的輸出波段對非金屬文物材料具有優(yōu)異的穿透性；

采集深度信息，能夠獲得文物不同深度位置的圖像效果

，空間分辨率2mm；還有

厚度測量與材料識別功能

，可用于畫作文物的涂料厚度、相關(guān)參數(shù)測量等應(yīng)用；緊湊單體結(jié)構(gòu)，適合實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場檢測等多種應(yīng)用環(huán)境。

02 虹科TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)

多功能、實(shí)時(shí)太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應(yīng)用。基于量子級聯(lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源，

具有250um的最優(yōu)分辨率

，實(shí)現(xiàn)文物細(xì)節(jié)的高分辨探測；

太赫茲相機(jī)每秒采集50幀圖像

，可實(shí)現(xiàn)文物的實(shí)時(shí)穿透成像，查看內(nèi)部缺陷情況，并最終可實(shí)現(xiàn)三維重建效果。

03 虹科TeraScan 100 雷達(dá)掃描儀

基于 FMCW 雷達(dá)技術(shù)的TeraScan 100 深度 3D 亞太赫茲掃描儀。

120GHz 的輸出波段

能夠有效穿透文物藝術(shù)品材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對樣品內(nèi)部的檢測；x-y-z 機(jī)動(dòng)平移臺上，

可掃描 300x300mm 的大樣本

；結(jié)合定制設(shè)計(jì)的可互換光學(xué)元件，

能夠提供 1.8mm 的空間分辨率

；內(nèi)部開發(fā)的雷達(dá)信號處理算法

在 100 ms 的單次測量中允許超過 60 dB 的動(dòng)態(tài)范圍

，實(shí)現(xiàn)對文物的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類信息。

參考文獻(xiàn)

【1】Dong, J., Ribeiro, A., Vacheret, A. et al. Revealing inscriptions obscured by time on an early-modern lead funerary cross using terahertz multispectral imaging. Sci Rep 12, 3429 (2022).

【2】Dong, J., Locquet, A., Melis, M. et al. Global mapping of stratigraphy of an old-master painting using sparsity-based terahertz reflectometry. Sci Rep 7, 15098 (2017).