太赫茲成像技術(shù)透視分層結(jié)構(gòu)助力文物研究

對(duì)于時(shí)間分辨成像方法來(lái)說(shuō)，分層結(jié)構(gòu)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)具有挑戰(zhàn)性，其中分辨率和對(duì)比度可能會(huì)因?qū)娱g反射和色散的突出信號(hào)衰減而受到影響。在一份關(guān)于科學(xué)進(jìn)展的新報(bào)告中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)介紹了一種基于太赫茲時(shí)域光譜的方法，通過(guò)精細(xì)分辨率和寬帶頻譜來(lái)衰減極限，從分層結(jié)構(gòu)中提取隱藏的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們研究了反射太赫茲脈沖的局部對(duì)稱特性，以確定每一層的位置，并增強(qiáng)了圖像對(duì)比度以證明其卓越的性能。這項(xiàng)工作能夠以超低信噪比準(zhǔn)確重建結(jié)構(gòu)和高對(duì)比度成像，以檢查文物、涂層和復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

太赫茲時(shí)域光譜 (THz-TDS)

太赫茲波段可用于成像，因?yàn)樗哂蟹请婋x性質(zhì)，并且非極性電介質(zhì)具有高度的透明度。

太赫茲時(shí)域光譜（TDS）是一種具有3D成像的無(wú)損光譜測(cè)試方法，使用太赫茲電磁輻射的短脈沖可以無(wú)損檢查樣品的性質(zhì)。與適用于檢測(cè)文物、藥物和復(fù)合結(jié)構(gòu)等分層結(jié)構(gòu)的X射線斷層掃描和超聲技術(shù)相比，該方法提供了精細(xì)的分辨率和寬帶光譜特征。

典型的反射式太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)

然而，TDS技術(shù)難以廣泛推廣應(yīng)用，因?yàn)檩敵龅奶掌澆閬喓镣吡考?jí)，功率太弱，無(wú)法穿透深層材料進(jìn)行信息提取。這也伴隨著信噪比的下降，存在許多小脈沖，這使得成像難以檢測(cè)太赫茲脈沖的位置和幅度。而在最新研究中，科學(xué)家們提出了一種由于超低信噪比而從分層結(jié)構(gòu)中提取隱藏信息的新方法。該方法提供了一種創(chuàng)新的檢測(cè)方法，具有高圖像對(duì)比度和深刻的穿透深度來(lái)檢測(cè)分層結(jié)構(gòu)。

測(cè)量設(shè)置和處理框架

研究團(tuán)隊(duì)用一對(duì)光電導(dǎo)天線在反射幾何形狀中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量由字母組成的30層紙。發(fā)射的太赫茲脈沖通過(guò)透鏡集中在樣品中，而反射的太赫茲信號(hào)由一系列來(lái)自各種界面的脈沖組成，以捕獲和反射太赫茲信號(hào)并提供飛行時(shí)間和反射率信息。科學(xué)家們進(jìn)行了信號(hào)分析和物理解釋，以注意由于儀器的共聚焦設(shè)置，水蒸氣吸收和紙堆中的透射吸收而導(dǎo)致的信號(hào)衰減，并建立了了信號(hào)分析和反射模型。

實(shí)驗(yàn)中所采用的信號(hào)分析和反射模型

層結(jié)構(gòu)重建

為了使用THZ-TDS技術(shù)檢查分層樣品，該團(tuán)隊(duì)使用脈沖位置來(lái)重建層結(jié)構(gòu)并了解進(jìn)行橫向成像的適當(dāng)時(shí)間范圍。雖然脈沖位置的適當(dāng)提取部分決定了圖像質(zhì)量，但復(fù)雜的太赫茲信號(hào)經(jīng)歷了數(shù)十層結(jié)構(gòu)的反射。

科學(xué)家們比較了不同脈沖提取技術(shù)之間的結(jié)果。在脈沖序列的峰值發(fā)現(xiàn)之后，他們成功地從點(diǎn)云中提取了層界面，以重建分層樣品的結(jié)構(gòu)。之后，他們通過(guò)從相應(yīng)的脈沖中提取振幅信息，獲得了各層內(nèi)的橫向太赫茲圖像。

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為脈沖鄰域平均成像方法的平均振幅太赫茲成像方法，從具有數(shù)十層的結(jié)構(gòu)中獲得高對(duì)比度太赫茲圖像，具有出色的一致性和成像質(zhì)量。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在22層紙疊的第3層到第19層寫入9個(gè)單詞來(lái)探索該方法的能力，并進(jìn)行太赫茲成像，以清楚地識(shí)別所有單詞。

太赫茲成像結(jié)果的評(píng)估

文物檢測(cè)應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)檢查了文物，例如具有分層結(jié)構(gòu)的壁畫或帆布畫，以檢測(cè)內(nèi)部缺陷和藝術(shù)品的隱藏油漆層，并收集結(jié)構(gòu)的隱藏信息。該團(tuán)隊(duì)完成了這項(xiàng)工作，并研究了西安秦始皇陵8000名兵馬俑的結(jié)構(gòu)和老化條件的潛力，以保護(hù)和修復(fù)這些人物。該方法成功地考察了結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷和隱藏內(nèi)容，獲得了具有豐富文化遺產(chǎn)價(jià)值的隱藏信息。

通過(guò)這種方式，崔及其同事利用太赫茲脈沖和脈沖鄰域平均成像獲得高對(duì)比度、具有噪聲消除功能的太赫茲圖像。所提出的太赫茲成像技術(shù)可以提取隱藏的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容信息，從具有高分辨率和對(duì)比度的亞波長(zhǎng)層狀紙到檢測(cè)古代文獻(xiàn)的水平，而不會(huì)造成損壞。因此，該方法提供了良好的成像質(zhì)量和實(shí)用的解決方案。

適用于兵馬俑戰(zhàn)士：

（A）挖掘的兵馬俑和真人大小的戰(zhàn)士的保護(hù)

（B）戰(zhàn)士碎片的結(jié)構(gòu)重建和厚度測(cè)量

（C）底面太赫茲成像太赫茲圖像中的高振幅區(qū)域表示孔隙或脫粘