文物是人類在社會活動中遺留下來的具有歷史、藝術(shù)、科學價值的遺物和遺跡，具有重要價值。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)，同時也是歷史時間工藝水平的記錄。歷史是一個國家文化體系的重要組成部分，而文物又是一個國家悠久歷史的最生動體現(xiàn)。因此在一定程度上，文物就可以反映一個民族的精神內(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和轉(zhuǎn)動能級，可根據(jù)太赫茲波的強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，能夠達到比微波成像更高的空間分辨率；不需要接觸表面，實現(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

佐治亞理工學院和佐治亞理工學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世紀墓穴十字架的腐蝕表面下方情況，揭示了一個被時間掩蓋的信息：主禱文的銘文。

佐治亞理工學院的研究者站在他們研究中使用的16世紀葬禮十字架的圖像前

這個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的實驗室，希望該團隊可以使用成像技術(shù)看見未發(fā)現(xiàn)的信息。

該團隊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。該團隊使用算法將十字架腐蝕表面與底層金屬表面反射的兩個回波之間的時間延遲處理成具有兩個峰值的信號，這些數(shù)據(jù)揭示了每個掃描點的腐蝕強度。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，當時的銘文仍然難以辨認。但當時在 Citrin 實驗室攻讀博士學位的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能夠恢復和增強圖像，最終剩下的是一個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。 該團隊還與一位環(huán)保主義者合作，以化學方式去除了十字架上的腐蝕，證實了Pater Noster的銘文。

將他們的圖像與干凈的十字架進行比較，該團隊發(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，并進一步洞察法國洛林的16世紀基督教。

太赫茲成像實現(xiàn)多層油畫檢測

Citrin的團隊還使用太赫茲成像來觀察17世紀繪畫的表面之下，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，當掃描儀以以光柵模式在畫上移動時，可以收集到每層反射的信號。之后利用相關(guān)計算機數(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痕跡

。

畫作上測量到的反射原始太赫茲信號圖

在18世紀之前完成的繪畫一直很難研究，因為

它們的油漆層往往很薄，單個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，

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

。

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，對其進行檢測、修復和保護以使文物能夠源遠流長。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

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達。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)，適合實驗室、現(xiàn)場檢測等多種應(yīng)用環(huán)境。

02 虹科TeraEyes-HV實時成像系統(tǒng)

多功能、實時太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應(yīng)用?；诹孔蛹壜?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

，實現(xiàn)文物細節(jié)的高分辨探測；

太赫茲相機每秒采集50幀圖像

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

03 虹科TeraScan 100 雷達掃描儀

基于 FMCW 雷達技術(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)，實現(xiàn)對樣品內(nèi)部的檢測；x-y-z 機動平移臺上，

可掃描 300x300mm 的大樣本

；結(jié)合定制設(shè)計的可互換光學元件，

能夠提供 1.8mm 的空間分辨率

；內(nèi)部開發(fā)的雷達信號處理算法

在 100 ms 的單次測量中允許超過 60 dB 的動態(tài)范圍

，實現(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

【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).