来自佐治亚理工学院和佐治亚理工学院-洛林分校的研究人员在一个多学科项目中采用太赫兹成像和信号处理技术来观察一个16世纪的铅制葬礼十字架被腐蚀的表面背后。这项工作由电子和计算机工程学院（ECE）教授David Citrin领导，汇集了图像科学家、专门研究考古物品的化学家和艺术史学家，以揭示被时间隐藏的信息：主祷文的铭文。
佐治亚理工学院教授David Citrin（右）和兼职教授Alexandre Locquet站在他们研究中使用的16世纪葬礼十字架的图像前。资料来源：佐治亚理工学院-洛林
“我们的方法使我们能够阅读隐藏在已经被腐蚀的物品之下的文字，这个过程也许已经有几百年了，”亚历山大-洛凯说，他是ECE的兼职教授，也是佐治亚理工学院-法国国家科学研究中心IRL2958的研究员，这是位于法国梅兹的佐治亚理工学院-洛林校区的国际联合研究实验室。”显然，能够在不损害物体的情况下获取这种信息的方法对考古学家来说是非常有意义的。”
该研究报告于2022年3月2日发表在《科学报告》杂志上。
这个由铅板切割而成的十字架是在法国雷米雷蒙的一个中世纪修道院的墓地里发现的，那里距离佐治亚理工学院洛林校区有几个小时的车程。它被称为Croix d’absolution，是一种可以追溯到中世纪的殉葬十字架，在法国、德国和英国的遗址中都有发现。
雷米雷蒙的查尔斯-德-布鲁耶博物馆馆长、该研究的共同作者Aurélien Vacheret说：”这种类型的十字架上通常刻有祈祷文或关于死者的信息。人们认为他们的目的是寻求一个人的赦免，促进他们进入天堂。”
(a)去除腐蚀前的原始十字架，(b)后处理后的最终太赫兹图像，以及(c)去除腐蚀后的十字架上的铭文对比。资料来源：佐治亚理工学院-洛林
博物馆将十字架借给了Citrin的实验室，希望该团队能够利用成像技术使不可见的东西变得可见。Citrin和他的小组专门从事非破坏性评估，并开发了一些技术，可以在不改变或破坏其原始形式的情况下对物体的隐藏层进行详细检查。他们的工作通常有工业应用，如检测飞机机身的损坏，但该小组接受了检查十字架的机会–这是一个进一步探索其技术在考古方面应用的机会。
窥探腐蚀面纱下的情况
该小组使用一个商业太赫兹扫描仪来检查十字架上每500微米（大约每半毫米）的物体。首先，扫描仪在十字架的每个部分发送太赫兹电磁辐射的短脉冲–一种以微小波长传播的光的形式。一些波从腐蚀层反弹回来，而另一些波则穿透了腐蚀层，从铅十字的实际表面反射出来。这产生了同一个原始脉冲的两个不同的回声。
接下来，研究小组使用一种算法，将两个回波之间的时间延迟处理成具有两个峰值的信号。这一数据显示了每个扫描点的腐蚀有多厚。然后收集从底层金属反射的光束的测量值，形成腐蚀下面的铅表面的图像。
跨学科的洞察力
虽然在扫描过程中收集到了关键的数据，但原始图像的噪音太大，杂乱无章，当时的铭文仍然无法辨认。但是，当时在Citrin实验室的博士生Dong Junliang以一种特殊的方式处理图像以消除噪音。通过减去和拼凑在不同频率下获得的部分图像，最后能够恢复和增强这些图像。剩下的是一个包含文字的令人惊讶的可读图像。
利用这些处理过的图像，Vacheret能够识别多个拉丁语单词和短语。他确定它们都是Pater Noster的一部分，通常被称为主祷文。
该小组还与一位文物保护专家合作，用化学方法逆转了十字架上的腐蚀，确认了Pater Noster的铭文。将他们的图像与干净的十字架相比较，该小组发现他们的图像显示了在原始十字架上无法观察到的铭文部分。通过发现以前没有记载的铭文的其他方面，研究人员的工作能够提供对十字架的更深入的理解，并进一步了解法国洛林地区16世纪的基督教。
“在这种情况下，我们能够在事后检查我们的工作，但不是所有的铅制品都可以这样处理，”Citrin说。”有些物体很大，有些必须留在原地，有些则太过脆弱。我们希望我们的工作开启了对其他铅物体的研究，这些物体可能也会产生隐藏在腐蚀之下的秘密。”
Citrin的研究小组还使用太赫兹成像技术来观察17世纪绘画的表面之下，阐明了油漆层的结构并提供了对绘画大师技术的见解。他们目前正在研究古罗马陶瓷的表面涂层。
这个交叉项目说明，成功不仅仅需要精确的测量，还需要仔细的数据处理和来自不同领域的研究人员之间的合作。该团队的方法为太赫兹成像分析开辟了新的视角，并可能为数字采集和记录，以及字符识别、提取和分类等领域产生巨大的推动作用。
Locquet说：”尽管经过30年的紧张发展，太赫兹成像仍然是一个快速发展的领域。当其他人专注于开发硬件时，我们的努力集中在充分利用所测量的数据上。”