太赫兹成像技术透视分层结构助力文物研究

 

 

对于时间分辨成像方法来说，分层结构的无创检测具有挑战性，其中分辨率和对比度可能会因层间反射和色散的突出信号衰减而受到影响。在一份关于科学进展的新报告中，科学家团队介绍了一种基于太赫兹时域光谱的方法，通过精细分辨率和宽带频谱来衰减极限，从分层结构中提取隐藏的结构和内容信息。为了实现这一目标，他们研究了反射太赫兹脉冲的局部对称特性，以确定每一层的位置，并增强了图像对比度以证明其卓越的性能。这项工作能够以超低信噪比准确重建结构和高对比度成像，以检查文物、涂层和复合材料的内部结构。

太赫兹时域光谱 (THz-TDS)

 

太赫兹波段可用于成像，因为它具有非电离性质，并且非极性电介质具有高度的透明度。

太赫兹时域光谱（TDS）是一种具有3D成像的无损光谱测试方法，使用太赫兹电磁辐射的短脉冲可以无损检查样品的性质。与适用于检测文物、药物和复合结构等分层结构的X射线断层扫描和超声技术相比，该方法提供了精细的分辨率和宽带光谱特征。

典型的反射式太赫兹时域光谱仪的结构

然而，TDS技术难以广泛推广应用，因为输出的太赫兹波为亚毫瓦量级，功率太弱，无法穿透深层材料进行信息提取。这也伴随着信噪比的下降，存在许多小脉冲，这使得成像难以检测太赫兹脉冲的位置和幅度。而在最新研究中，科学家们提出了一种由于超低信噪比而从分层结构中提取隐藏信息的新方法。该方法提供了一种创新的检测方法，具有高图像对比度和深刻的穿透深度来检测分层结构。

测量设置和处理框架

 

研究团队用一对光电导天线在反射几何形状中进行了实验，以测量由字母组成的30层纸。发射的太赫兹脉冲通过透镜集中在样品中，而反射的太赫兹信号由一系列来自各种界面的脉冲组成，以捕获和反射太赫兹信号并提供飞行时间和反射率信息。科学家们进行了信号分析和物理解释，以注意由于仪器的共聚焦设置，水蒸气吸收和纸堆中的透射吸收而导致的信号衰减，并建立了了信号分析和反射模型。

实验中所采用的信号分析和反射模型

层结构重建

 

为了使用THZ-TDS技术检查分层样品，该团队使用脉冲位置来重建层结构并了解进行横向成像的适当时间范围。虽然脉冲位置的适当提取部分决定了图像质量，但复杂的太赫兹信号经历了数十层结构的反射。

科学家们比较了不同脉冲提取技术之间的结果。在脉冲序列的峰值发现之后，他们成功地从点云中提取了层界面，以重建分层样品的结构。之后，他们通过从相应的脉冲中提取振幅信息，获得了各层内的横向太赫兹图像。

 

该团队使用一种称为脉冲邻域平均成像方法的平均振幅太赫兹成像方法，从具有数十层的结构中获得高对比度太赫兹图像，具有出色的一致性和成像质量。该团队通过在22层纸叠的第3层到第19层写入9个单词来探索该方法的能力，并进行太赫兹成像，以清楚地识别所有单词。

 

太赫兹成像结果的评估

文物检测应用

 

研究团队利用该技术检查了文物，例如具有分层结构的壁画或帆布画，以检测内部缺陷和艺术品的隐藏油漆层，并收集结构的隐藏信息。该团队完成了这项工作，并研究了西安秦始皇陵8000名兵马俑的结构和老化条件的潜力，以保护和修复这些人物。该方法成功地考察了结构、内部缺陷和隐藏内容，获得了具有丰富文化遗产价值的隐藏信息。

通过这种方式，崔及其同事利用太赫兹脉冲和脉冲邻域平均成像获得高对比度、具有噪声消除功能的太赫兹图像。所提出的太赫兹成像技术可以提取隐藏的结构和内容信息，从具有高分辨率和对比度的亚波长层状纸到检测古代文献的水平，而不会造成损坏。因此，该方法提供了良好的成像质量和实用的解决方案。

适用于兵马俑战士：

（A）挖掘的兵马俑和真人大小的战士的保护

（B）战士碎片的结构重建和厚度测量

（C）底面太赫兹成像 太赫兹图像中的高振幅区域表示孔隙或脱粘