來自佐治亞理工學院和佐治亞理工學院-洛林分校的研究人員在一個多學科項目中採用太赫茲成像和信號處理技術來觀察一個16世紀的鉛制葬禮十字架被腐蝕的表面背後。這項工作由電子和計算機工程學院（ECE）教授David Citrin領導，匯集了圖像科學家、專門研究考古物品的化學家和藝術史學家，以揭示被時間隱藏的信息：主禱文的銘文。

佐治亞理工學院教授David Citrin（右）和兼職教授Alexandre Locquet站在他們研究中使用的16世紀葬禮十字架的圖像前。資料來源：佐治亞理工學院-洛林

“我們的方法使我們能夠閱讀隱藏在已經被腐蝕的物品之下的文字，這個過程也許已經有幾百年了，”亞歷山大-洛凱說，他是ECE的兼職教授，也是佐治亞理工學院-法國國家科學研究中心IRL2958的研究員，這是位於法國梅茲的佐治亞理工學院-洛林校區的國際聯合研究實驗室。”顯然，能夠在不損害物體的情況下獲取這種信息的方法對考古學家來說是非常有意義的。”

該研究報告於2022年3月2日發表在《科學報告》雜誌上。

這個由鉛板切割而成的十字架是在法國雷米雷蒙的一個中世紀修道院的墓地裡發現的，那裡距離佐治亞理工學院洛林校區有幾個小時的車程。它被稱為Croix d’absolution，是一種可以追溯到中世紀的殉葬十字架，在法國、德國和英國的遺址中都有發現。

雷米雷蒙的查爾斯-德-布魯耶博物館館長、該研究的共同作者Aurélien Vacheret說：”這種類型的十字架上通常刻有祈禱文或關於死者的信息。人們認為他們的目的是尋求一個人的赦免，促進他們進入天堂。”

(a)去除腐蝕前的原始十字架，(b)後處理後的最終太赫茲圖像，以及(c)去除腐蝕後的十字架上的銘文對比。資料來源：佐治亞理工學院-洛林

博物館將十字架借給了Citrin的實驗室，希望該團隊能夠利用成像技術使不可見的東西變得可見。Citrin和他的小組專門從事非破壞性評估，並開發了一些技術，可以在不改變或破壞其原始形式的情況下對物體的隱藏層進行詳細檢查。他們的工作通常有工業應用，如檢測飛機機身的損壞，但該小組接受了檢查十字架的機會–這是一個進一步探索其技術在考古方面應用的機會。

窺探腐蝕面紗下的情況

該小組使用一個商業太赫茲掃描儀來檢查十字架上每500微米（大約每半毫米）的物體。首先，掃描儀在十字架的每個部分發送太赫茲電磁輻射的短脈衝–一種以微小波長傳播的光的形式。一些波從腐蝕層反彈回來，而另一些波則穿透了腐蝕層，從鉛十字的實際表面反射出來。這產生了同一個原始脈衝的兩個不同的迴聲。

接下來，研究小組使用一種算法，將兩個回波之間的時間延遲處理成具有兩個峰值的信號。這一數據顯示了每個掃描點的腐蝕有多厚。然後收集從底層金屬反射的光束的測量值，形成腐蝕下面的鉛表面的圖像。

跨學科的洞察力

雖然在掃描過程中收集到了關鍵的數據，但原始圖像的噪音太大，雜亂無章，當時的銘文仍然無法辨認。但是，當時在Citrin實驗室的博士生Dong Junliang以一種特殊的方式處理圖像以消除噪音。通過減去和拼湊在不同頻率下獲得的部分圖像，最後能夠恢復和增強這些圖像。剩下的是一個包含文字的令人驚訝的可讀圖像。

利用這些處理過的圖像，Vacheret能夠識別多個拉丁語單詞和短語。他確定它們都是Pater Noster的一部分，通常被稱為主禱文。

該小組還與一位文物保護專家合作，用化學方法逆轉了十字架上的腐蝕，確認了Pater Noster的銘文。將他們的圖像與乾淨的十字架相比較，該小組發現他們的圖像顯示了在原始十字架上無法觀察到的銘文部分。通過發現以前沒有記載的銘文的其他方面，研究人員的工作能夠提供對十字架的更深入的理解，並進一步了解法國洛林地區16世紀的基督教。

“在這種情況下，我們能夠在事後檢查我們的工作，但不是所有的鉛製品都可以這樣處理，”Citrin說。”有些物體很大，有些必須留在原地，有些則太過脆弱。我們希望我們的工作開啟了對其他鉛物體的研究，這些物體可能也會產生隱藏在腐蝕之下的秘密。”

Citrin的研究小組還使用太赫茲成像技術來觀察17世紀繪畫的表面之下，闡明了油漆層的結構並提供了對繪畫大師技術的見解。他們目前正在研究古羅馬陶瓷的表面塗層。

這個交叉項目說明，成功不僅僅需要精確的測量，還需要仔細的數據處理和來自不同領域的研究人員之間的合作。該團隊的方法為太赫茲成像分析開闢了新的視角，並可能為數字採集和記錄，以及字符識別、提取和分類等領域產生巨大的推動作用。

Locquet說：”儘管經過30年的緊張發展，太赫茲成像仍然是一個快速發展的領域。當其他人專注於開發硬件時，我們的努力集中在充分利用所測量的數據上。”