太赫兹技术应用于文物保护及修复中的探索

卢民

（山东博物馆，山东 济南 250014）

0 引 言

历史文化遗产的保护是一项包含考古学、历史学、化学、材料学等多门类交叉领域的工作，通过无损检测的科学手段保护我们的历史文化遗产，一直是广大文物保护工作者们探索的方向。在目前石质材料的文物保护和修复中，无损的光谱检测技术是最有效的，但是目前常用的超声波、X 射线、拉曼光谱、红外和紫外等光谱技术都有各自的不足，例如拉曼、红外、紫外技术采用的波段穿透能力差；X 射线和微波的穿透性能好，但X 射线的穿透能力太强，导致X 射线的纵向分辨率差，而且其光子能量高，具有电离特性；微波则是横向的分辨率较低。太赫兹波对石质材料具有良好的穿透性和高分辨特性，可以非接触、无损探测，实现对文物外表涂层和绘画完整性、内部空心化方面的保护和修复，是其他光谱检测手段的有力补充。

1 研究背景及现状

毫米波、 太赫兹波（Terahertz） 是指频率在30 GHz ～10 000 GHz、波长在0.01 ～3 mm之间的一段电磁波谱。近年来毫米波、太赫兹技术的应用研究逐渐兴起，在5G 通信（未来6G 通信）、汽车雷达、安检、生物和医学检测等领域呈现出极大的优势。在文物探测和保护领域，与X射线、超声波、微波、红外相比，太赫兹波的无损检测性能，在文物保护领域具有多方面优势：

（1）太赫兹波对很多非极性的物质和介电材料，例如木材、陶瓷、泥土、硬纸板等都具有良好的穿透性。

（2）太赫兹辐射的单光子能量只有毫电子伏数量级，相对于上千电子伏的X 射线单光子能量，太赫兹波不会引起有害的电离，不容易破坏被检测的物质，同时对操作人员是安全无害的。

（3）覆盖范围包括生物大分子和凝聚态物质振转能级的太赫兹光谱频域范围广泛，许多物质在太赫兹光谱频域范围内具有明显的特征吸收谱。

（4）利用太赫兹脉冲皮秒量级的典型脉宽，能有效进行时间分辨研究，结合不同物质层次间的反射，获得文物内部断层信息，从而实现三维成像。

从20 世纪80年代国外开始出现对艺术品的分析，已有的实验证实，太赫兹光谱技术能够从分层样本的不同层中检索信息，从而在油漆和壁画中识别隐藏的子层，有助于对绘画内部结构的非侵入性研究。太赫兹技术在文物的应用上主要有两方面，一是利用太赫兹光谱对文物的物质组成成分进行分析，依据分析结果构建光谱数据库，二是利用太赫兹成像技术的无损检测特性对文物进行成像分析，从而检测出文物的内部结构和形状结构。目前利用毫米波、太赫兹技术对文物的研究中，国内外已有一些研究文献，分别从太赫兹光谱分析、太赫兹成像方面进行了较多的研究。例如在光谱分析方面，日本的情报通信研究机构（NICT）将太赫兹光谱技术应用到文物艺术品分析上，并于2007年与日本理化学研究所（RIKEN）共同建立了第一个在太赫兹波段的开放式文物原料数据库（可参考：www.thzdb.org）。在太赫兹成像方面，美国、日本、荷兰、俄罗斯、西班牙等国家都有研究文献出现，例如日本NICT 的Fukunaga、法国巴黎综合理工学院的Labaune、俄罗斯Skryl 等人分别对东亚历史壁画、多层纸莎文稿、14 世纪镀金肖像画、17 世纪油画、俄罗斯19 世纪画像等历史文化成品进行了成像探测和分析。西班牙巴塞罗那大学的Seco-Martorell 等人对戈雅的油画进行成像分析，能够探测到由颜料密度、画笔力度以及画布结构等多个因素引起的纹理特征，从而发现隐藏在油画中的签名。

相比于国外，国内在这方面研究明显不足。现有文献中，陕西省文物保护院人员研究对壁画的信息提取，山西大同大学杨成全教授等人利用太赫兹时域光谱技术对云冈石窟岩石石柱、降尘和新鲜岩石三种样品进行透射光谱测试，依据太赫兹吸收谱特征对三种样品进行区分，比较石窟内外风化石雕样品光谱吸收谱线和折射率，定性鉴别不同云冈石窟石雕风化物。研究结果证明，在我国文物考古分析领域应用太赫兹技术具有一定的潜力。

针对石质文物中构成文物原料的物质成分分类和文物完整性，通过对文物的结构以及原料成分的精确测量，可以了解到文物样品的原材料属性，甚至可以发现如何恢复物体。自然石材、陶瓷物体等表面下形成的空腔导致原有表面脱落等环境损害通常是不可见的。环境影响，如温度和湿度的波动，特别是霜冻或盐的积累形式，会导致产生裂缝、缝隙、甚至部分艺术品在外部区域完全脱离。利用太赫兹技术可实现腔体的三维图像和脉冲太赫兹飞行时间测量，实现对研究对象的内部损伤探测，能更有效地解决上述问题。

2 太赫兹技术在文物检测中的应用

太赫兹（THz）光谱和太赫兹成像技术在非金属文物的非侵入性分析方面具有巨大的潜力。太赫兹波可以穿透不透明的文物材料，通过光谱分析或3D 成像非破坏性地创建材料内部结构，获取材料的物质成分等信息。这在纸质文物、石质文物、颜料、壁画、木质、陶瓷文物中都有极大的应用潜力。

2.1 壁画文物的内部结构

利用太赫兹设备检测壁画，发现这块嵌板上有一条明显的裂隙，但从表面无法测量其深度，THz 截面图像显示，裂纹处的准备层已经完全丢失，之前只添加了表面油漆。如图1所示。

图1 壁画内部结构

2.2 对陶瓷艺术品材料脱落的无损分析

太赫兹成像与X-ray（X 射线技术）比较，这两种测量都能确定气隙宽度，然而太赫兹是一种便携式技术，没有电离辐射，安全性高。如图2所示。

图2 陶瓷艺术品无损分析

2.3 对石质品的应用

通过太赫兹反射技术能够对石头内部的缺陷、空隙等成像，红色区域是气隙的实际形状。根据这幅图像，可以估计出气隙的占地面积约为690 平方毫米。如图3所示。

图3 石制品内部成像

2.4 太赫兹光谱鉴定文物的颜料构成

不同的颜色区域所表现的太赫兹光谱不同，以此为依据可以作为研究材料的颜料构成。如图4所示。

图4 太赫兹光谱鉴定颜料构成

3 待研究内容及目标

太赫兹波介于毫米波和远红外光谱之间。对于生物大分子的振动和旋转频率在太赫兹频段的可以实现检测生物信息；利用太赫兹光子能量低，不会对探测体造成损坏的优点，可以实现文物的无损检测；利用太赫兹波对石质材料良好的穿透能力，可实现对隐蔽物体、内部裂隙、缺陷等的探测；利用太赫兹脉冲脉宽在皮秒量级的优势，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，对各种材料进行光谱分析；太赫兹带宽很宽，可为超高速通信提供丰富的频谱资源。基于太赫兹波上述优势可展开对下述内容的更深层次研究。

3.1 电介质与太赫兹波响应机理研究

利用石质文物表层颜料、油漆等原材料物质中的电介质与太赫兹波相互响应理论，研究电介质微观分子运动模式与宏观介电现象的关系，进而研究基于太赫兹宏观介电谱表征的电介质分子结构振动和极化特征，分子结构的弛豫和振动行为，以及由此导致的分子极性演变规律；研究物质太赫兹场的有效介质模型的数表述，以及能够表征不同类型电介质的综合介电响应的函数模型。

通过上述机理研究，获得太赫兹光谱与电介质物质的微观相互作用以及响应机理，形成微观分子运动模式和极化模式的宏观介电表述；建立物质的宏观综合介电函数模型。

3.2 石质文物中油漆与颜料的太赫兹指纹特征谱研究

基于电介质和太赫兹波响应机理的研究基础，研究石质文物中颜料、油漆中的原料等太赫兹指纹谱（吸收谱和介电谱），以太赫兹指纹谱实现对物质的鉴别。结合考古现场，研究以指纹谱数据为基础的物质快速鉴别方法；以指纹谱数据为基础，研究对现场考古出土文物和博物馆展览文物的含水率测定和评价方法，对存储环境提供技术指导；研究颜料、油漆的原料不同年代的指纹谱变化，推导原料在年代变迁中的变质过程。

实现针对石窟文物的颜料、油漆原料物质的太赫兹指纹谱数据库的建立，并与红外光谱数据库融合；构建物质含水率与介电谱的关系图谱，实现对含水率的判断方法和依据；得出物质年代演变中太赫兹光谱变化规律，形成年代与太赫兹光谱的对应关系，以此作为颜料经历年代的判断依据。

3.3 石质文物中表面涂层与隐藏层的厚度检测和脱落质量评价研究

利用太赫兹波对非金属物质的高穿透性、非电离性、高分辨率以及非接触探测等方面的优势，利用太赫兹连续波（CW）和太赫兹时域光谱（TDS）技术，对石窟文物中涂层的厚度高分辨率探测和脱落程度质量评价的研究，找出适用于石刻文物不规则平面的线阵或面阵的扫描和快速成像方法；分别研究对表层颜料、油漆涂层的厚度分辨、隐层的有无判断和涂层是否脱落判断，研究涂层内杂质、裂隙的探测；通过扫描研究对文物整体三维成像的技术和方法，构建文物的三维立方图。

通过上述理论研究实现对文物表层、隐层涂层的高分辨率探测，得出对不同物质构成的涂层达到亚毫米级的层间分辨；通过对涂层是否脱落、脱落程度的探测和扫描成像，得出涂层完整性的质量评价，形成针对现场的、非接触、无损探测方法，获得提供修复的预警信息。

3.4 石质文物空心化及基于支持向量机（SVM）预测模型研究

石质文物的空心化变质和表面风化需要有效的无损检测方法进行及时的修复和维护，基于支持向量机的机器学习模型，研究对石质文物空心损伤的探测和诊断方法，以基于支持向量机的模拟空心退化预测模型，研究空心化、风化速度和深度的关系模型。建立石质文物表面风化和内部空心化、沙化的支持向量机的机器学习模型，获得预测模型和诊断方法，实现对空心化、风化速度和深度的预测。

4 需解决的问题及技术路线

（1）微观结构与太赫兹波介电响应模式的量化由于所研究的物质成分复杂，而且其极性结构或者分子链并不是单独存在的，而是与其他结构相连接，研究对象不仅仅受到太赫兹场的作用，也受到其他分子结构的影响，对极化强度、弛豫时间、分子链振动强度等造成影响，下一步需要通过分析不同分子结构在太赫兹场的运动形式，构建等效的分子模型，确定每种响应模式影响和被影响因素，忽略次要因素，实现模式简化，获取仿真结果，完成对微观结构与太赫兹波介电响应模式的量化分析。

（2）不规则物体的内部微小缺陷散射效应石质文物表面涂层可能存在多层分布，厚度较薄，采用太赫兹反射探测模式，涂层内部微小缺陷、脱粘的位置、大小、形态各异，对电磁波信号的散射效应也是不同的，构建适用于太赫兹信号传输和反射路径模型是下一步需要解决的关键科学问题。

（3）石质文物的空心化评判依据构建石质文物内部是一个未知空间，可能是本来空心结构，或者内部填充其他材料，这可能与石质文物环境侵蚀空心化或沙化、老化导致的空心形态相同，成为太赫兹技术探测的障碍，因此解决这一障碍是能够实现空心化评判依据构建的关键，也是下一步需要解决的关键科学问题。

针对上述问题，设计以下技术路线，如图5所示。

图5 技术路线

根据研究内容和技术路线，其研究路线设计为：

（1）根据研究内容，查阅资料，结合考古现场情况，全面掌握文物保护中的问题、难题，细化研究内容和方向，确定研究的细节并分解步骤，做好整体的研究规划。

（2）联合相关科研院所太赫兹技术科研和测试平台，利用博物馆制备实验样本，建设测试现场。从理论上全面掌握石质文物原料中的油漆、颜料等物质（例如朱砂、炭、白土、中国紫、碳 酸钙等）的微观结构和组分。参考其在微波、红外光谱的介电谱和吸收谱，从实验方面获取在太赫兹频段的折射率、吸收系数等参数。结合电学和光学完成太赫兹频段介电函数描述和模型构建。

（3）构建针对文物物质的太赫兹光谱的数据库，建设自己的文物原料开放数据库网站，部分物质可与日本文物原料开放数据库（www.thzdb.org）做对比。

（4）在光谱数据库基础上，掌握不同物质（干燥条件）对太赫兹波的衰减。作为基础，一方面通过测试不同湿度获取物质不同含水率的太赫兹介电谱，实现从物质的太赫兹介电谱反推含水量的计算方法，应用于实际探测中可以实时判断含水量或湿度；另一方面研究新鲜颜料与经历久远年代的颜料的差异性，建立这种差异性与时间的关系，形成物质随时间演变的判断方法。

（5）在掌握颜料、油漆、石质材料等物质对太赫兹波衰减的基础上，利用太赫兹连续波和太赫兹时域光谱系统，研究较薄的涂层厚度以及厚度均匀性分布，通过扫描方法，完成石质文物外部涂层三维立体图像重现；同时对涂层的脱落情况进行研判，建立文物修复的预警信息。

（6）在掌握成像方法的基础上，深入研究太赫兹对更厚的石质文物内部探测成像，解决探测目标的识别和分类：实心、夹杂、空洞、粉化；从而形成对石质由外到内的三维立体成像模型，构建3D 图景还原，为对石质文物的保护和修复提供科技支撑。

5 结 论

本文把太赫兹技术应用到文物保护中，是对目前X射线、红外光谱、日光、拉曼光谱的有力补充，构建文物保护的全光谱技术手段。太赫兹技术作为一种非接触、无电离辐射的无损光谱检测技术，相对于X 射线、紫外线，更安全有效；在目前的光谱检测中，太赫兹波是唯一能够同时提供光谱分析和高分辨成像的技术，光谱数据能够提供物质成分的判别分析，而高分辨成像能力则能对文物不可见的损伤进行探测，为文物修复提供技术支撑。目前的文物图像化、影像化基本是对文物外貌的呈现，缺乏对文物由外到内的3D 样貌、分层化的图景呈现，太赫兹技术为实现这种效果提供了一种更佳的方法和途径。利用太赫兹技术为文物保护提供服务，还有许多的问题待解决，研究内容也很多，希望本文能对广大文物科技工作者有所帮助。