虹科案例|太赫兹技术如何看透文物下的秘密？

文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，具有重要价值。文物是帮助现代人探寻历史、还原历史真相的最有力依据，同时也是历史时间工艺水平的记录。历史是一个国家文化体系的重要组成部分，而文物又是一个国家悠久历史的最生动体现。因此在一定程度上，文物就可以反映一个民族的精神内核。

为了通过文物了解历史、也为了更好地保护这些文物，需要通过检测手段和分析手段获取文物制作年代、元素构成、工艺、以及当前有无腐蚀缺损等信息，并且很多文物与本身的基体密不可分，是无法单独取下检测的。因此，针对文物的检测手段最重要的是没有损伤，即对文物不会产生伤害，因此无损检测技术在文物检测中是十分重要的。

常规的无损检测方法，比如射线成像、超声波、拉曼光谱等方法，实际上在文物检测领域已经有所应用了。比如在鉴别真伪应用中，学者们常利用射线成像技术轻松识别残片焊接的造假方式。而在文物内部结构分析、元素分析等应用中，像射线成像、CT技术、超声波探伤技术、拉曼光谱等技术，都可以派上用场。 然而，这些方法存在一定的局限性。

拉曼、红外等光谱方法能够分析表面物质成分，但穿透性差，对于厚度文物的内部物质难以分析；X射线和微波能够穿透表面，但X射线的纵向分辨率差，且光子能量高，具有电离特性，对人体有辐射伤害；微波的横向分辨率较低，均只能满足部分要求。

太赫兹波是处于微波与红外之间，定义频率在0.1~10 THz, 波长在3~0.03 mm(1 THz = 10^12 Hz) 之间的电磁波。

由于太赫兹波在电磁波频谱的特殊位置，其在文物检测领域具有明显优势：

光子能量低，不具有电离辐射；极易透过非极性和非金属材料，包括陶瓷、帆布、木材、纸张等常见艺术品的承载材料；频段处在许多生物大分子振动和转动能级，可根据太赫兹波的强吸收和谐振特性建立分子指纹特征谱鉴别物质成分；太赫兹波段的高频率对应于更短的波长，能够达到比微波成像更高的空间分辨率；不需要接触表面，实现无损探测。

因此，太赫兹技术在文物检测领域也有所应用，并发现了许多文物表面以下隐藏的秘密。

太赫兹成像揭示了十字架上隐藏的铭文

佐治亚理工学院和佐治亚理工学院洛林分校的研究人员使用太赫兹成像和信号处理技术来观察16世纪墓穴十字架的腐蚀表面下方情况，揭示了一个被时间掩盖的信息：主祷文的铭文。

佐治亚理工学院的研究者站在他们研究中使用的16世纪葬礼十字架的图像前

这个十字架是从一张铅片上剪下来的，是在法国雷米尔蒙特修道院的墓地里发现的，它被称为 croix d'absolution，是一种可以追溯到中世纪的葬礼十字架，在法国、德国和英国的遗址中被发现。博物馆将十字架借给了Citrin的实验室，希望该团队可以使用成像技术看见未发现的信息。

该团队使用商用太赫兹扫描仪每隔 500 微米（大约每半毫米）探测十字架。该团队使用算法将十字架腐蚀表面与底层金属表面反射的两个回波之间的时间延迟处理成具有两个峰值的信号，这些数据揭示了每个扫描点的腐蚀强度。然后收集从最下层金属反射的光束的测量值，以形成腐蚀下方的铅表面的图像。

(a)腐蚀去除前的原始十字架，(b)处理后的最终太赫兹图像，和(c)腐蚀去除后的十字架上的铭文比较

虽然在扫描过程中收集了关键数据，但原始图像过于嘈杂和混乱，当时的铭文仍然难以辨认。但当时在 Citrin 实验室攻读博士学位的Junliang Dong有洞察力，能够以一种特殊的方式处理图像以消除噪声。

通过减去和拼凑以不同频率获取的图像部分，Dong能够恢复和增强图像，最终剩下的是一个令人惊讶的可读性图像，其中包含文字。使用处理后的图像能够识别多个拉丁词和短语

，它们都是 Pater Noster 的一部分，通常被称为主祷文。 该团队还与一位环保主义者合作，以化学方式去除了十字架上的腐蚀，证实了Pater Noster的铭文。

将他们的图像与干净的十字架进行比较，该团队发现他们的图像揭示了原始十字架上无法观察到的铭文部分

。通过发现以前未记录的铭文的其他方面，他们的工作能够更深入地了解十字架，并进一步洞察法国洛林的16世纪基督教。

太赫兹成像实现多层油画检测

Citrin的团队还使用太赫兹成像来观察17世纪绘画的表面之下，阐明油漆层结构，并提供对大师画家技术的见解。在2017年他们研究了Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato工作室的画作“Madonna in Preghiera”，该画作是从法国的黄金海岸博物馆借来的。

艺术品的图像。(a)可见光照片；(b)紫外荧光图像；(c)红外反射获图像

研究者使用太赫兹扫描仪，通过太赫兹辐射脉冲大约每200um检测一次画作。扫描仪发出的信号穿透绘画的连续层，部分光束从油漆面反射回来，当扫描仪以以光栅模式在画上移动时，可以收集到每层反射的信号。之后利用相关计算机数据处理技术，分离每层反射的信号以构建图像的三维映射。最终，

通过太赫兹成像技术确定了画作的帆布支撑、印记、底色、图案和清漆层，以及以前未了解到的清漆修复痕迹

。

画作上测量到的反射原始太赫兹信号图

在18世纪之前完成的绘画一直很难研究，因为

它们的油漆层往往很薄，单个颜料层无法通过传统技术解决。而太赫兹辐射可以很容易地穿透油漆层，搭配专业的数据处理算法可以区分只有20微米厚的层

。

这项技术使文物工作者能够以高分辨率看到绘画表面下的东西，深入评估使用了哪种绘画技术，并确定可能存在哪些缺陷

。利用这一点，

研究者们可以获得艺术史学家未了解到的画作信息，还可以提供可能有助于保护和修复这些旧画的信息

。

虹科太赫兹成像方案

人类共同的文化遗产需要全体的共同努力，对其进行检测、修复和保护以使文物能够源远流长。针对于文物检测的无损伤、穿透性多层分析、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应用场景的太赫兹成像检测方案

。

01 虹科亚太赫兹NDT雷达

基于GaAs肖特基二极管倍频器原理的FMCW雷达。150G的输出波段对非金属文物材料具有优异的穿透性；

采集深度信息，能够获得文物不同深度位置的图像效果

，空间分辨率2mm；还有

厚度测量与材料识别功能

，可用于画作文物的涂料厚度、相关参数测量等应用；紧凑单体结构，适合实验室、现场检测等多种应用环境。

02 虹科TeraEyes-HV实时成像系统

多功能、实时太赫兹成像系统，适用于全场高分辨率应用。基于量子级联激光器原理的高频段（2~5THz）太赫兹源，

具有250um的最优分辨率

，实现文物细节的高分辨探测；

太赫兹相机每秒采集50帧图像

，可实现文物的实时穿透成像，查看内部缺陷情况，并最终可实现三维重建效果。

03 虹科TeraScan 100 雷达扫描仪

基于 FMCW 雷达技术的TeraScan 100 深度 3D 亚太赫兹扫描仪。

120GHz 的输出波段

能够有效穿透文物艺术品材质，实现对样品内部的检测；x-y-z 机动平移台上，

可扫描 300x300mm 的大样本

；结合定制设计的可互换光学元件，

能够提供 1.8mm 的空间分辨率

；内部开发的雷达信号处理算法

在 100 ms 的单次测量中允许超过 60 dB 的动态范围

，实现对文物的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各类信息。

参考文献

【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).