太赫茲技術(shù)應(yīng)用于文物保護(hù)及修復(fù)中的探索

盧民

（山東博物館，山東 濟(jì)南 250014）

0 引 言

歷史文化遺產(chǎn)的保護(hù)是一項(xiàng)包含考古學(xué)、歷史學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等多門類交叉領(lǐng)域的工作，通過無損檢測(cè)的科學(xué)手段保護(hù)我們的歷史文化遺產(chǎn)，一直是廣大文物保護(hù)工作者們探索的方向。在目前石質(zhì)材料的文物保護(hù)和修復(fù)中，無損的光譜檢測(cè)技術(shù)是最有效的，但是目前常用的超聲波、X 射線、拉曼光譜、紅外和紫外等光譜技術(shù)都有各自的不足，例如拉曼、紅外、紫外技術(shù)采用的波段穿透能力差；X 射線和微波的穿透性能好，但X 射線的穿透能力太強(qiáng)，導(dǎo)致X 射線的縱向分辨率差，而且其光子能量高，具有電離特性；微波則是橫向的分辨率較低。太赫茲波對(duì)石質(zhì)材料具有良好的穿透性和高分辨特性，可以非接觸、無損探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)文物外表涂層和繪畫完整性、內(nèi)部空心化方面的保護(hù)和修復(fù)，是其他光譜檢測(cè)手段的有力補(bǔ)充。

1 研究背景及現(xiàn)狀

毫米波、 太赫茲波（Terahertz） 是指頻率在30 GHz ～10 000 GHz、波長(zhǎng)在0.01 ～3 mm之間的一段電磁波譜。近年來毫米波、太赫茲技術(shù)的應(yīng)用研究逐漸興起，在5G 通信（未來6G 通信）、汽車?yán)走_(dá)、安檢、生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域呈現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。在文物探測(cè)和保護(hù)領(lǐng)域，與X射線、超聲波、微波、紅外相比，太赫茲波的無損檢測(cè)性能，在文物保護(hù)領(lǐng)域具有多方面優(yōu)勢(shì)：

（1）太赫茲波對(duì)很多非極性的物質(zhì)和介電材料，例如木材、陶瓷、泥土、硬紙板等都具有良好的穿透性。

（2）太赫茲輻射的單光子能量只有毫電子伏數(shù)量級(jí)，相對(duì)于上千電子伏的X 射線單光子能量，太赫茲波不會(huì)引起有害的電離，不容易破壞被檢測(cè)的物質(zhì)，同時(shí)對(duì)操作人員是安全無害的。

（3）覆蓋范圍包括生物大分子和凝聚態(tài)物質(zhì)振轉(zhuǎn)能級(jí)的太赫茲光譜頻域范圍廣泛，許多物質(zhì)在太赫茲光譜頻域范圍內(nèi)具有明顯的特征吸收譜。

（4）利用太赫茲脈沖皮秒量級(jí)的典型脈寬，能有效進(jìn)行時(shí)間分辨研究，結(jié)合不同物質(zhì)層次間的反射，獲得文物內(nèi)部斷層信息，從而實(shí)現(xiàn)三維成像。

從20 世紀(jì)80年代國(guó)外開始出現(xiàn)對(duì)藝術(shù)品的分析，已有的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，太赫茲光譜技術(shù)能夠從分層樣本的不同層中檢索信息，從而在油漆和壁畫中識(shí)別隱藏的子層，有助于對(duì)繪畫內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非侵入性研究。太赫茲技術(shù)在文物的應(yīng)用上主要有兩方面，一是利用太赫茲光譜對(duì)文物的物質(zhì)組成成分進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)庫，二是利用太赫茲成像技術(shù)的無損檢測(cè)特性對(duì)文物進(jìn)行成像分析，從而檢測(cè)出文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀結(jié)構(gòu)。目前利用毫米波、太赫茲技術(shù)對(duì)文物的研究中，國(guó)內(nèi)外已有一些研究文獻(xiàn)，分別從太赫茲光譜分析、太赫茲成像方面進(jìn)行了較多的研究。例如在光譜分析方面，日本的情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）將太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用到文物藝術(shù)品分析上，并于2007年與日本理化學(xué)研究所（RIKEN）共同建立了第一個(gè)在太赫茲波段的開放式文物原料數(shù)據(jù)庫（可參考：www.thzdb.org）。在太赫茲成像方面，美國(guó)、日本、荷蘭、俄羅斯、西班牙等國(guó)家都有研究文獻(xiàn)出現(xiàn)，例如日本NICT 的Fukunaga、法國(guó)巴黎綜合理工學(xué)院的Labaune、俄羅斯Skryl 等人分別對(duì)東亞歷史壁畫、多層紙莎文稿、14 世紀(jì)鍍金肖像畫、17 世紀(jì)油畫、俄羅斯19 世紀(jì)畫像等歷史文化成品進(jìn)行了成像探測(cè)和分析。西班牙巴塞羅那大學(xué)的Seco-Martorell 等人對(duì)戈雅的油畫進(jìn)行成像分析，能夠探測(cè)到由顏料密度、畫筆力度以及畫布結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素引起的紋理特征，從而發(fā)現(xiàn)隱藏在油畫中的簽名。

相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在這方面研究明顯不足?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，陜西省文物保護(hù)院人員研究對(duì)壁畫的信息提取，山西大同大學(xué)楊成全教授等人利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)云岡石窟巖石石柱、降塵和新鮮巖石三種樣品進(jìn)行透射光譜測(cè)試，依據(jù)太赫茲吸收譜特征對(duì)三種樣品進(jìn)行區(qū)分，比較石窟內(nèi)外風(fēng)化石雕樣品光譜吸收譜線和折射率，定性鑒別不同云岡石窟石雕風(fēng)化物。研究結(jié)果證明，在我國(guó)文物考古分析領(lǐng)域應(yīng)用太赫茲技術(shù)具有一定的潛力。

針對(duì)石質(zhì)文物中構(gòu)成文物原料的物質(zhì)成分分類和文物完整性，通過對(duì)文物的結(jié)構(gòu)以及原料成分的精確測(cè)量，可以了解到文物樣品的原材料屬性，甚至可以發(fā)現(xiàn)如何恢復(fù)物體。自然石材、陶瓷物體等表面下形成的空腔導(dǎo)致原有表面脫落等環(huán)境損害通常是不可見的。環(huán)境影響，如溫度和濕度的波動(dòng)，特別是霜凍或鹽的積累形式，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫、縫隙、甚至部分藝術(shù)品在外部區(qū)域完全脫離。利用太赫茲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)腔體的三維圖像和脈沖太赫茲飛行時(shí)間測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的內(nèi)部損傷探測(cè)，能更有效地解決上述問題。

2 太赫茲技術(shù)在文物檢測(cè)中的應(yīng)用

太赫茲（THz）光譜和太赫茲成像技術(shù)在非金屬文物的非侵入性分析方面具有巨大的潛力。太赫茲波可以穿透不透明的文物材料，通過光譜分析或3D 成像非破壞性地創(chuàng)建材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲取材料的物質(zhì)成分等信息。這在紙質(zhì)文物、石質(zhì)文物、顏料、壁畫、木質(zhì)、陶瓷文物中都有極大的應(yīng)用潛力。

2.1 壁畫文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用太赫茲設(shè)備檢測(cè)壁畫，發(fā)現(xiàn)這塊嵌板上有一條明顯的裂隙，但從表面無法測(cè)量其深度，THz 截面圖像顯示，裂紋處的準(zhǔn)備層已經(jīng)完全丟失，之前只添加了表面油漆。如圖1所示。

圖1 壁畫內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 對(duì)陶瓷藝術(shù)品材料脫落的無損分析

太赫茲成像與X-ray（X 射線技術(shù)）比較，這兩種測(cè)量都能確定氣隙寬度，然而太赫茲是一種便攜式技術(shù)，沒有電離輻射，安全性高。如圖2所示。

圖2 陶瓷藝術(shù)品無損分析

2.3 對(duì)石質(zhì)品的應(yīng)用

通過太赫茲反射技術(shù)能夠?qū)κ^內(nèi)部的缺陷、空隙等成像，紅色區(qū)域是氣隙的實(shí)際形狀。根據(jù)這幅圖像，可以估計(jì)出氣隙的占地面積約為690 平方毫米。如圖3所示。

圖3 石制品內(nèi)部成像

2.4 太赫茲光譜鑒定文物的顏料構(gòu)成

不同的顏色區(qū)域所表現(xiàn)的太赫茲光譜不同，以此為依據(jù)可以作為研究材料的顏料構(gòu)成。如圖4所示。

圖4 太赫茲光譜鑒定顏料構(gòu)成

3 待研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

太赫茲波介于毫米波和遠(yuǎn)紅外光譜之間。對(duì)于生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率在太赫茲頻段的可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)生物信息；利用太赫茲光子能量低，不會(huì)對(duì)探測(cè)體造成損壞的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)文物的無損檢測(cè)；利用太赫茲波對(duì)石質(zhì)材料良好的穿透能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽物體、內(nèi)部裂隙、缺陷等的探測(cè)；利用太赫茲脈沖脈寬在皮秒量級(jí)的優(yōu)勢(shì)，可以得到高信噪比的太赫茲時(shí)域譜，對(duì)各種材料進(jìn)行光譜分析；太赫茲帶寬很寬，可為超高速通信提供豐富的頻譜資源?；谔掌澆ㄉ鲜鰞?yōu)勢(shì)可展開對(duì)下述內(nèi)容的更深層次研究。

3.1 電介質(zhì)與太赫茲波響應(yīng)機(jī)理研究

利用石質(zhì)文物表層顏料、油漆等原材料物質(zhì)中的電介質(zhì)與太赫茲波相互響應(yīng)理論，研究電介質(zhì)微觀分子運(yùn)動(dòng)模式與宏觀介電現(xiàn)象的關(guān)系，進(jìn)而研究基于太赫茲宏觀介電譜表征的電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)和極化特征，分子結(jié)構(gòu)的弛豫和振動(dòng)行為，以及由此導(dǎo)致的分子極性演變規(guī)律；研究物質(zhì)太赫茲場(chǎng)的有效介質(zhì)模型的數(shù)表述，以及能夠表征不同類型電介質(zhì)的綜合介電響應(yīng)的函數(shù)模型。

通過上述機(jī)理研究，獲得太赫茲光譜與電介質(zhì)物質(zhì)的微觀相互作用以及響應(yīng)機(jī)理，形成微觀分子運(yùn)動(dòng)模式和極化模式的宏觀介電表述；建立物質(zhì)的宏觀綜合介電函數(shù)模型。

3.2 石質(zhì)文物中油漆與顏料的太赫茲指紋特征譜研究

基于電介質(zhì)和太赫茲波響應(yīng)機(jī)理的研究基礎(chǔ)，研究石質(zhì)文物中顏料、油漆中的原料等太赫茲指紋譜（吸收譜和介電譜），以太赫茲指紋譜實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的鑒別。結(jié)合考古現(xiàn)場(chǎng)，研究以指紋譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的物質(zhì)快速鑒別方法；以指紋譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)考古出土文物和博物館展覽文物的含水率測(cè)定和評(píng)價(jià)方法，對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境提供技術(shù)指導(dǎo)；研究顏料、油漆的原料不同年代的指紋譜變化，推導(dǎo)原料在年代變遷中的變質(zhì)過程。

實(shí)現(xiàn)針對(duì)石窟文物的顏料、油漆原料物質(zhì)的太赫茲指紋譜數(shù)據(jù)庫的建立，并與紅外光譜數(shù)據(jù)庫融合；構(gòu)建物質(zhì)含水率與介電譜的關(guān)系圖譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)含水率的判斷方法和依據(jù)；得出物質(zhì)年代演變中太赫茲光譜變化規(guī)律，形成年代與太赫茲光譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此作為顏料經(jīng)歷年代的判斷依據(jù)。

3.3 石質(zhì)文物中表面涂層與隱藏層的厚度檢測(cè)和脫落質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

利用太赫茲波對(duì)非金屬物質(zhì)的高穿透性、非電離性、高分辨率以及非接觸探測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)，利用太赫茲連續(xù)波（CW）和太赫茲時(shí)域光譜（TDS）技術(shù)，對(duì)石窟文物中涂層的厚度高分辨率探測(cè)和脫落程度質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究，找出適用于石刻文物不規(guī)則平面的線陣或面陣的掃描和快速成像方法；分別研究對(duì)表層顏料、油漆涂層的厚度分辨、隱層的有無判斷和涂層是否脫落判斷，研究涂層內(nèi)雜質(zhì)、裂隙的探測(cè)；通過掃描研究對(duì)文物整體三維成像的技術(shù)和方法，構(gòu)建文物的三維立方圖。

通過上述理論研究實(shí)現(xiàn)對(duì)文物表層、隱層涂層的高分辨率探測(cè)，得出對(duì)不同物質(zhì)構(gòu)成的涂層達(dá)到亞毫米級(jí)的層間分辨；通過對(duì)涂層是否脫落、脫落程度的探測(cè)和掃描成像，得出涂層完整性的質(zhì)量評(píng)價(jià)，形成針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的、非接觸、無損探測(cè)方法，獲得提供修復(fù)的預(yù)警信息。

3.4 石質(zhì)文物空心化及基于支持向量機(jī)（SVM）預(yù)測(cè)模型研究

石質(zhì)文物的空心化變質(zhì)和表面風(fēng)化需要有效的無損檢測(cè)方法進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)和維護(hù)，基于支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，研究對(duì)石質(zhì)文物空心損傷的探測(cè)和診斷方法，以基于支持向量機(jī)的模擬空心退化預(yù)測(cè)模型，研究空心化、風(fēng)化速度和深度的關(guān)系模型。建立石質(zhì)文物表面風(fēng)化和內(nèi)部空心化、沙化的支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，獲得預(yù)測(cè)模型和診斷方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空心化、風(fēng)化速度和深度的預(yù)測(cè)。

4 需解決的問題及技術(shù)路線

（1）微觀結(jié)構(gòu)與太赫茲波介電響應(yīng)模式的量化由于所研究的物質(zhì)成分復(fù)雜，而且其極性結(jié)構(gòu)或者分子鏈并不是單獨(dú)存在的，而是與其他結(jié)構(gòu)相連接，研究對(duì)象不僅僅受到太赫茲場(chǎng)的作用，也受到其他分子結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)極化強(qiáng)度、弛豫時(shí)間、分子鏈振動(dòng)強(qiáng)度等造成影響，下一步需要通過分析不同分子結(jié)構(gòu)在太赫茲場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)形式，構(gòu)建等效的分子模型，確定每種響應(yīng)模式影響和被影響因素，忽略次要因素，實(shí)現(xiàn)模式簡(jiǎn)化，獲取仿真結(jié)果，完成對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與太赫茲波介電響應(yīng)模式的量化分析。

（2）不規(guī)則物體的內(nèi)部微小缺陷散射效應(yīng)石質(zhì)文物表面涂層可能存在多層分布，厚度較薄，采用太赫茲反射探測(cè)模式，涂層內(nèi)部微小缺陷、脫粘的位置、大小、形態(tài)各異，對(duì)電磁波信號(hào)的散射效應(yīng)也是不同的，構(gòu)建適用于太赫茲信號(hào)傳輸和反射路徑模型是下一步需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

（3）石質(zhì)文物的空心化評(píng)判依據(jù)構(gòu)建石質(zhì)文物內(nèi)部是一個(gè)未知空間，可能是本來空心結(jié)構(gòu)，或者內(nèi)部填充其他材料，這可能與石質(zhì)文物環(huán)境侵蝕空心化或沙化、老化導(dǎo)致的空心形態(tài)相同，成為太赫茲技術(shù)探測(cè)的障礙，因此解決這一障礙是能夠?qū)崿F(xiàn)空心化評(píng)判依據(jù)構(gòu)建的關(guān)鍵，也是下一步需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)以下技術(shù)路線，如圖5所示。

圖5 技術(shù)路線

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線，其研究路線設(shè)計(jì)為：

（1）根據(jù)研究?jī)?nèi)容，查閱資料，結(jié)合考古現(xiàn)場(chǎng)情況，全面掌握文物保護(hù)中的問題、難題，細(xì)化研究?jī)?nèi)容和方向，確定研究的細(xì)節(jié)并分解步驟，做好整體的研究規(guī)劃。

（2）聯(lián)合相關(guān)科研院所太赫茲技術(shù)科研和測(cè)試平臺(tái)，利用博物館制備實(shí)驗(yàn)樣本，建設(shè)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。從理論上全面掌握石質(zhì)文物原料中的油漆、顏料等物質(zhì)（例如朱砂、炭、白土、中國(guó)紫、碳 酸鈣等）的微觀結(jié)構(gòu)和組分。參考其在微波、紅外光譜的介電譜和吸收譜，從實(shí)驗(yàn)方面獲取在太赫茲頻段的折射率、吸收系數(shù)等參數(shù)。結(jié)合電學(xué)和光學(xué)完成太赫茲頻段介電函數(shù)描述和模型構(gòu)建。

（3）構(gòu)建針對(duì)文物物質(zhì)的太赫茲光譜的數(shù)據(jù)庫，建設(shè)自己的文物原料開放數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站，部分物質(zhì)可與日本文物原料開放數(shù)據(jù)庫（www.thzdb.org）做對(duì)比。

（4）在光譜數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，掌握不同物質(zhì)（干燥條件）對(duì)太赫茲波的衰減。作為基礎(chǔ)，一方面通過測(cè)試不同濕度獲取物質(zhì)不同含水率的太赫茲介電譜，實(shí)現(xiàn)從物質(zhì)的太赫茲介電譜反推含水量的計(jì)算方法，應(yīng)用于實(shí)際探測(cè)中可以實(shí)時(shí)判斷含水量或濕度；另一方面研究新鮮顏料與經(jīng)歷久遠(yuǎn)年代的顏料的差異性，建立這種差異性與時(shí)間的關(guān)系，形成物質(zhì)隨時(shí)間演變的判斷方法。

（5）在掌握顏料、油漆、石質(zhì)材料等物質(zhì)對(duì)太赫茲波衰減的基礎(chǔ)上，利用太赫茲連續(xù)波和太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，研究較薄的涂層厚度以及厚度均勻性分布，通過掃描方法，完成石質(zhì)文物外部涂層三維立體圖像重現(xiàn)；同時(shí)對(duì)涂層的脫落情況進(jìn)行研判，建立文物修復(fù)的預(yù)警信息。

（6）在掌握成像方法的基礎(chǔ)上，深入研究太赫茲對(duì)更厚的石質(zhì)文物內(nèi)部探測(cè)成像，解決探測(cè)目標(biāo)的識(shí)別和分類：實(shí)心、夾雜、空洞、粉化；從而形成對(duì)石質(zhì)由外到內(nèi)的三維立體成像模型，構(gòu)建3D 圖景還原，為對(duì)石質(zhì)文物的保護(hù)和修復(fù)提供科技支撐。

5 結(jié) 論

本文把太赫茲技術(shù)應(yīng)用到文物保護(hù)中，是對(duì)目前X射線、紅外光譜、日光、拉曼光譜的有力補(bǔ)充，構(gòu)建文物保護(hù)的全光譜技術(shù)手段。太赫茲技術(shù)作為一種非接觸、無電離輻射的無損光譜檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于X 射線、紫外線，更安全有效；在目前的光譜檢測(cè)中，太赫茲波是唯一能夠同時(shí)提供光譜分析和高分辨成像的技術(shù)，光譜數(shù)據(jù)能夠提供物質(zhì)成分的判別分析，而高分辨成像能力則能對(duì)文物不可見的損傷進(jìn)行探測(cè)，為文物修復(fù)提供技術(shù)支撐。目前的文物圖像化、影像化基本是對(duì)文物外貌的呈現(xiàn)，缺乏對(duì)文物由外到內(nèi)的3D 樣貌、分層化的圖景呈現(xiàn)，太赫茲技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這種效果提供了一種更佳的方法和途徑。利用太赫茲技術(shù)為文物保護(hù)提供服務(wù)，還有許多的問題待解決，研究?jī)?nèi)容也很多，希望本文能對(duì)廣大文物科技工作者有所幫助。