《Sensors》：A Deep Learning-Based Denoising Method for Airborne Electromagnetic Data
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摘要：水分诱导的变形、开裂与生物劣化威胁木质文化遗产安全，因此可靠的非破坏含水率评估对预防性保护至关重要。微波法因非接触、快速与高精度被视为新兴手段，但传统基于透射的微波检测需接触试件两侧，难以用于背面不可达的固定构件。研究人员基于自由空间微波反射原理，开展单
摘要：水分诱导的变形、开裂与生物劣化威胁木质文化遗产安全，因此可靠的非破坏含水率评估对预防性保护至关重要。微波法因非接触、快速与高精度被视为新兴手段，但传统基于透射的微波检测需接触试件两侧，难以用于背面不可达的固定构件。研究人员基于自由空间微波反射原理，开展单面非接触木材含水评估。三维全波天线—木材模型识别出水峰附近约1.1 GHz谷值及其邻峰的显著湿度依赖变化，定义二者幅值差为谷深特征（valley-depth feature），并优化100 mm悬停距离以兼顾线性与灵敏度。基于仿真参数构建传感系统，标定实验表明谷深与相对介电常数呈线性关系（R2=0.98）。对含水率低于30%的松木与泡桐试件沿两个极化方向测量，短期重复性标准差小于0.013 dB；独立验证中，电场垂直于纹理的泡桐组误差最低，RMSE=1.27%，MAE=0.99%。历史木门原位试验证明了现场部署可行性及反射响应的时空变化可测性。该结果支持该方法用于单面非接触木材含水评估。
研究背景与问题提出
木质文化遗产承载重要历史与科学信息，但木材为多孔吸湿材料，环境湿度波动会引发内部含水率梯度，进而导致差胀缩、内应力与开裂；高含水率还促进腐朽菌生长。准确含水率信息是评估变形、开裂与生物劣化风险的前提。现有方法中，烘箱干燥法精度高但破坏样品、周期长，无法用于珍贵文物原位监测；电阻法需插入电极，属微创且在高含水区稳定性差；传统微波透射法虽可反演体平均含水率，但要求试件前后双面可达，对嵌墙木构件、装饰面板与背面封闭的历史门窗并不适用。因此，亟需一种单面、非接触、快速、可现场部署的含水率感知技术。
研究人员据此开展研究，利用自由空间单端口反射配置，只从材料可达一侧发射并接收微波，提取频谱中由湿度引起的局部形态变化作为定量特征，构建面向木质文化遗产的 noninvasive 含水率评估方法，并在仿真、参考介质、实木试件与历史木门原位场景中逐级验证。
主要关键技术方法
研究人员采用 Ansys HFSS 建立双脊喇叭天线与有限尺寸木板的三维全波模型，以 moisture-dependent 有效复介电常数表征湿度效应，扫频0.5–6 GHz，筛选敏感谷—峰对并优化悬停距离；搭建由便携式矢量网络分析仪（VNA）、同轴线馈双脊喇叭天线与单端口SOL校准组成的自由空间反射系统，提取S??频谱；以松木（pine）与泡桐（paulownia）为样本队列，每树种5件标定、3件独立验证，尺寸200 mm×200 mm×20 mm，依GB/T 1931-2009烘箱法求参考含水率，在低于30%含水率区间逐步干燥并沿平行/垂直纹理两极化方向重复测量；定义谷深特征D=Γ_peak?Γ_valley，建立一元线性标定，并以RMSE与MAE评价独立预测。
研究结果
三维全波仿真与特征定义
研究人员通过HFSS模拟不同含水率下S??谱，发现低频段1.10 GHz附近谷值与1.29 GHz邻峰随湿度反向变化。相比单点幅值，谷深特征在七组候选谷中于1.10 GHz处取得最高R2与灵敏度；悬停距离20–200 mm扫描显示100 mm在线性度与灵敏度间最优。
参考介电材料测量
使用PTFE、PP、POM与FR4四类参考板，证实谷深随相对介电常数单调增加，拟合R2=0.98，证明该反射特征可有效感知材料介电属性变化。
木材含水率实验
松木与泡桐在已知树种与纹理取向分组下，谷深与含水率呈线性相关；短期重复性标准差为0.008–0.013 dB。独立验证中泡桐电场垂直纹理组最优，RMSE=1.27%、MAE=0.99%；松木垂直纹理组误差较大，说明树种、密度、树脂道与取向会改变斜率与截距。
原位木门测试
在上海历史建筑外门选取6个测量单元，重复获取S??并提取谷深。虽无破坏取样真值，但系统给出空间非均匀湿度分布与随时间整体下降趋势，证明单面非接触配置可在环境非稳态下提供相对湿度图谱。
讨论部分总结
研究人员指出，谷深特征物理上来源于前表面反射与板内多次传播相干叠加，对整体幅值漂移与近场耦合扰动有一定抑制；但其定量传递依赖树种、纹理取向、厚度与表面状态。实验室规则平板结果不能直接外推至带涂层、老化、不规则表面或未知取向的现场构件。原位结果宜作为相对筛查与时空对比，而非绝对含水率。未来应扩充样本库，融合多峰、频移与局部曲线形态，引入物理信息驱动的多变量或非线性模型，并可探索微波反射与微波热成像互补，但需严控激励能量以保护温敏文物。
结论部分翻译
本研究将单面自由空间微波反射用于木质文化遗产非接触含水评估，以双脊喇叭天线获取单端口响应，定义局部谷—峰幅值差作为谷深特征。HFSS仿真确定约1.1 GHz为敏感特征、100 mm悬停距离兼顾线性与灵敏；参考介质验证谷深—介电常数关系（R2=0.98）；松木与泡桐低于30%含水率下重复性标准差0.008–0.013 dB，泡桐垂直纹理独立验证R2=0.98、RMSE=1.27%、MAE=0.99%。历史木门试验证明该方法可现场提供空间湿度分布。当前定量预测需树种与取向专用标定，未知现场条件更适合相对筛查与时空比较；研究为木质文化遗产原位检查与预防性保护提供了方法基础。
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