基于專利分析的全球探地雷達技術研究

丁溫馨

摘要：揭示了全球探地雷達技術的發展現狀，為探地雷達技術的發展方向提供參考?；诮?0年的專利數據，從專利申請情況、區域競爭力、研發機構和熱點研究領域等方面揭示了全球探地雷達產業技術的研究進展。中、美、韓三國均擁有多項GPR專利。自2017年以來，中國專利申請數量快速增長。主要專利持有人為中國礦業大學（北京）、中國國家電網公司和中國鐵路總公司。目前探地雷達技術的研究主要集中在三個方面：探地雷達在不同領域的應用、為探地雷達及其他輔助設備服務的計算機處理系統和技術、不同類型的探地雷達研究。技術前沿主要包括探地雷達在汽車、火車等機動車輛上的發展與應用、探地雷達圖像增強與分析等。

關鍵詞：專利分析；探地雷達；產業技術

探地雷達（GPR）是一種高效的淺層地球物理勘探技術。它發射高頻電磁脈沖波，利用地下介質電參數的差異，根據回波的波形、幅值、頻率等動力學和運動學特性，分析和推導介質的物理性質和結構。與傳統的地球物理方法相比，探地雷達具有方便快捷、操作簡單、場地適應性強、抗干擾能力強、探測分辨率高等優點。目前廣泛應用于公路路基檢測、鐵路隧道襯砌檢測、農業調查、考古、礦產勘探、災害地質調查、巖土工程調查、環境保護、工程質量檢測、建筑結構檢測、此外，鉆孔雷達和月球雷達在各自的領域中也具有非常重要的地位。

探地雷達的歷史可以追溯到20世紀初。1904年，德國人赫爾斯邁耶首次利用電磁信號探測地下金屬物體。1910年，Leimback和Lowy申請了利用雷達原理進行地面探測的專利，利用一組鉆孔中嵌入的偶極天線來探測地下電導率較高的區域，正式提出了探地雷達的概念。1968年左右，美國Teledyne microonetics公司在其他科研機構對視頻雷達地面探測研究的基礎上，研制出一套單周期雷達，并應用于加利福尼亞州的溶洞探測和公路路基下的地下采礦試驗，可以說是最早的探地雷達設備。1970年，地球物理勘測系統公司（Geophysical S survey System S，Inc.）研制出了第一套商用探地雷達設備， 公司簡稱GSSI，生產雷達取名為地下界面雷達（SIR雷達）。在此之后，真正的無損快速探測——探地雷達（GPR）探測開始在巖土工程地質勘查的某些領域逐步實現。

為探究近十年探地雷達領域的發展現狀，了解當前研究熱點以及探索未來年份里可能成為重點的方法，本文基于德溫特專利數據庫（DII），運用CiteSpace科學知識可視化工具繪制關鍵詞共現，手工代碼共現等圖來進行對比分析。

一、數據來源與檢索策略

本文選用德溫特專利數據庫（DII）進行檢索專利數據，Derwent Innovations Index（簡稱DII）是Thomson Derwent和 Thomson ISI 公司一起推出的基于 Web 的專利數據庫，這一數據庫整理合并 DerwentWorld Patents Index（德溫特世界專利索引，簡稱 WPI）與Patents Citation Index（專利引文索引）數據，并且以每周更新的速度，提供全球的專利信息數據。DII 收錄了全球 40 多個專利機構（包含 100 多個國家）的1000多萬條基本發明專利信息，2000 多萬條專利信息，資料回溯至1963年。所以，使用 DII 作為數據來源，能夠保證數據的完整性。

基于相關文獻的調研，征求不同專家意見，選擇近10年的專利數據信息，檢索以：主題=（“GROUND PENETRATING RADAR*”）為檢索表達式；時間跨度=（2008-01-01^2020-12-31），因為根據我國《專利法》的規定，專利申請公開時間從國務院專利行政部門收到發明專利申請后，經初步審查認為符合《專利法》要求的，自申請日起滿十八個月，即行公布。所以檢索時間跨度不包含2021年，檢索時間點是2021年11月11日，在DII中一共檢索923 條數據。

二、專利申請態勢

從2009～2019年探地雷達全球專利申請趨勢圖來看（見圖1），近10年來，探地雷達全球專利申請量整體呈現穩步上升的態勢，2017年以前申請量平穩增長，2017年之后開始以相對較快的速度增長。相信未來幾年，申請趨勢也會比較好。

三、區域競爭力

（一）主要優先權國家

近10年來，全球探地雷達專利受理數量最多的前三國家依次是中國、美國、韓國。（見圖2）其中可見，中國的專利優先數量遠遠領先于其他國家/組織，減去2020年和2008年中國的優先權數量是572，全球的優先權數量是840，中國的優先權專利數量占全球數量的68.1%，可以判斷中國在探地雷達領域的研發早，布局多。

（二）主要優先權國家（地區）申請量年度分布

從2009～2019年全球探地雷達專利優先申請國家（地區）的申請量年度分布（見圖3）來看，中國，美國，韓國申請的相關專利較多，尤其是中國，從2013年開始加速增長，并且在2013年數量超過了美國，在2017年，與全球趨勢相符合，以一個較快的速度增長，進入快車道，遠超其他國家。美國從2016年開始申請量有所下降，可能在美國本土與探地雷達相關的專利研究內容達到相對飽和的狀態。韓國在2011年和2018年申請數量突然增加，可能這兩年突然出現了某些新興的研究熱點，給相關研究人員提供了研究素材。

四、專利權人分布

全球探地雷達領域專利權人分布（見圖4）給出了全球探地雷達領域專利數量大于10的專利權人，共18個專利權人，擁有專利290項，占全部專利的31.4%。這18個專利權人，有12家在中國，4家在美國，1家在韓國，1家在以色列?？梢钥闯?，中國在探地雷達領域的研發力量占有絕對的優勢。其中中國礦業大學（北京）位列第一，并且擁有的專利數量總數45項，超過第二名12項，占所有專利的4.8%。除此之外，美國在探地雷達專利權人的分布上相較于中國以外的國家也具有較為明顯優勢。

五、探地雷達領域技術熱點、技術前沿

（一）技術熱點領域識別

對探地雷達領域的研發熱點的識別，有助于把握整個探地雷達領域研發動向，使得研發人員和企業清楚探地雷達的技術發展態勢，從而達到資源合理應用于技術研發。

關鍵詞共現知識圖譜能夠展現指定段時間內相關文獻共同反映的熱點詞匯，在一篇專利文章中，雖然關鍵詞的內容占比不大，但是反映的卻是專利文章的核心內容，它高度概括和集中描述了專利技術，因此在分析專利的關鍵詞時，頻次高的關鍵詞時常被用來確定描述一個領域的熱點。本篇文章主要運用CiteSpace信息可視化軟件，對檢索的專利文章進行關鍵詞分析、手工代碼分析、突現率分析，得出探地雷達領域熱點技術圖譜、前沿技術圖譜等，用來確定該領域的熱點及前沿研究技術方向。

將檢索的923篇專利導入CiteSpace進行數據轉換，把DII數據格式轉換為WoS，分析時間選擇2008年1月到2020年12月，時間間隔為1年，主題詞的來源選擇標題、摘要，節點類型選擇關鍵詞，其他都按照默認設置選擇。運行軟件得到探地雷達技術熱點圖譜（見圖5）。圖中有92個節點，345條節點間連線，節點大的點表示出現的次數多，頻次較多的關鍵詞在一定程度上可以代表探地雷達領域的技術熱點，突現率大的一定程度上可以代表該領域的前沿技術。

從探地雷達領域專利關鍵詞共現網絡圖譜（見圖5）中可以看出，w06（aviation_marine and radar systems）的節點最大，出現的頻次最高，569次，探地雷達在國家各個大型項目中運用廣泛，因此W06與海洋航空事業相關頻次最高是符合現實的。出現頻率第二高的熱點詞是t01（digital computers），316次，要實現探地雷達的各個方面的功能，需要數字計算機、數字電腦的輔助，所以t01一直都是探地雷達專利領域研究的一個重點之一。S03（scientific instrumentation）與科學儀器相關的研究熱點排名第三，它也是探地雷達技術實現的輔助工具，理應屬于研究熱點。除了這些領域外，還有w02（broadcasting_radio and line transmission systems）無線電傳輸、s02（engineering instrumentation）工程儀器、q41（road_rail_bridge construction）公路鐵路橋梁建設等研究 熱點領域。

德溫特手工代碼（MC）用于標識專利的詳細技術領域，本文分析手工代碼用于輔助專利關鍵詞共現熱點技術識別，以便更全面、更詳細地發現研究熱點。

從探地雷達領域專利德溫特人工代碼共現網絡圖譜（見圖6）可以看出，W06-A04A1的節點最大，即出現的頻次最高，367次，含義是Determining target position？（確定目標位置），代表雷達技術領域。緊隨其后的是W06-A04H出現頻次215次，含義是Radar systems and applications （雷達系統及應用），代表天氣雷達、工業雷達、交通監控等技術領域。S03-C02X出現頻次199次，含義Electromagnetic prospecting methods-other （電磁勘測方法及其他），代表天線、射頻、微波等技術領域。W06-A04出現頻次136次，含義Radar systems （雷達系統），代表二次雷達系統、連續波雷達系統、綜合孔徑雷達等不同的雷達系統，這一詞條與頻次第一的詞條有重復部分，但是W06-A04包含雷達系統的范圍更廣，W06-A04A1重點突出雷達系統的應用。W06-A04H3出現94次，含義是Mapping （繪制地圖、分布圖等），代表雷達探測繪圖技術領域。W06-A04H1A出現56次，含義是Land vehicles （陸地上的機動車輛以及火車），這一代碼在查詢的注釋里面說明了其代表的是火車及機動車輛的雷達系統技術。T01-J10B2出現頻次48次，含義是Image analysis（圖像分析）包括特征參數的確定和場景分析，代表的是雷達圖像分析技術領域。T01-J07D3A出現頻次45次，含義是Geographical information systems（地理信息系統），代表信息系統技術領域。

從關鍵詞共現圖譜和德溫特手工代碼共現圖譜分析，可以得出，關鍵詞頻次最高和手工代碼頻次最高的詞都是代表探地雷達系統的應用領域，所以我認為探地雷達領域專利的研究目前更加集中于不同領域的應用。除此之外，關鍵詞詞頻第二和手工代碼頻次第七都是涉及計算機和信息系統等硬件研究領域，所以我認為目前想要對探地雷達進行更深一步的研究需要有相符合的地理信息系統輔助，所以信息系統的研究也是研究熱點之一。還有，有關于探地雷達類型在共現圖譜中出現的頻次也很高，所以不同雷達類型也屬于研究熱點。

（二）技術前沿領域識別

使用Citespace的詞頻探測功能，通過考察詞頻的時間分布，選取出頻次變化率高的詞，依靠詞頻的變動趨勢，而不僅僅是詞頻的高低來確定前沿領域和發展趨勢。所以對于詞語突現率（burst值）的研究可以用于確定技術前沿，burst值高的關鍵詞可以代表技術前沿領域。

通過突現率（burst值）top15關鍵詞（見圖7）可以看出，x22（automotive electrics）汽車電氣系統技術的burst值最高，w07（electrical military equipment and weapons）軍用電氣設備及武器位列第二，x23（electric railways and signalling）鐵路電氣和信號技術和q79（weapons_ammunition_blasting）彈藥爆破技術位列第三第四，這四類處于探地雷達技術領域的最前沿，關注度最高。除此之外，u23（oscillation and modulation）、u24（ampliflers and low power supplies）半導體與電子電路技術burst值也比較高。

通過突現率（burst值）前top14的手工代碼（見圖8）可以看出，W06-A04H1A突現率（burst值）最高，W06-A04H1A含義是Land vehicles，包含機動車輛及火車的雷達系統。X22-X06的含義是Non-engine related measurements/sensors，代表傳感器技術領域。T01-J10B1的burst值排第三，T01-J10B1的含義是Image enhancement圖像增強，包括使用直方圖，去模糊，噪聲濾波和邊緣檢測等技術。X22-J05A的含義是Radar systems，雷達系統，代表二次雷達系統、連續波雷達系統、綜合孔徑雷達等不同的雷達系統技術。T01-J10B2的含義是Image analysis（圖像分析）包括特征參數的確定和場景分析，代表的是雷達圖像分析技術領域。T01-J04A的含義是For solving equations ，方程求解，代表信息系統解決微分，多項式，線性規劃的技術。

通過關鍵詞和手工代碼的突現率分析，可以得出，關鍵詞突現率較高和手工代碼突現率最高的詞都指向汽車、火車等技術領域的應用，所以我認為關于探地雷達專利的研究未來會更多集中在汽車和火車中雷達的發明應用。根據手工代碼突現率結果，探地雷達圖像增強和分析技術、探地雷達系統類型等都有可能成為未來的研究方向。

六、結語

本文利用CiteSpace可視化軟件，對DII數據庫下載的近十年（2009～2019年）的探地雷達專利進行統計分析，得出以下結論。

第一，探地雷達領域處于快速發展階段。2017年以前專利申請量呈勻速增長趨勢，2017年申請量開始大幅度增長，中國的探地雷達專利數量占明顯優勢，美國、韓國相比于其他國家的申請數量，也具有較大優勢。中國申請數量占比很大，因此主導了大部分探地雷達領域專利的發展趨勢。

第二，探地雷達領域技術發展態勢比較集中，主要專利人擁有專利數據較為聚攏。擁有專利數量大于10項的專利權人總共18位，有12家在中國，4家在美國，1家在韓國，1家在以色列。中國的專利權人主要分屬于中國礦業大學（北京）、中國國家電網公司、中國鐵路總公司、中南大學、中國電子科學研究院、中國電子科技大學、長安大學、哈爾濱工業大學、北京華航無線電測量研究所、中國神華能源有限公司、同濟大學、廈門大學，其中中國礦業大學（北京）擁有專利數量排名第一。美國有愛爾華有限公司、地球物理測量公司、麻省理工學院、L-3通訊公司，都屬于主要專利權人。

第三，從專利技術主題分析，目前探地雷達技術發展偏向于探地雷達在不同領域的應用研究、服務于探地雷達的計算機處理系統及技術和其他輔助設備研究、不同類型的探地雷達研究。探地雷達在不同領域的應用研究主要是在天氣、工業、航空、航海等方面的應用。計算機處理系統主要包括地理信息系統和數據的處理分析。探地雷達的類型研究主要包括二次雷達、連續波雷達等類型。

第四，通過對探地雷達研發前沿分析，首先，探地雷達在汽車、火車等機動車輛上的研發應用可能成為未來一段時間的關注重點。其次，有關于探地雷達圖像增強和分析也可能成為未來的研究方向之一。最后，關于探地雷達的類型研究，其目前是研究的熱點之一，根據可視化前沿分析結果，可以說明其未來也將繼續成為熱點。

探地雷達覆蓋的領域很廣。毫無疑問，探地雷達的深入研究和開發應用正在推動著時代的發展。探地雷達技術的快速發展，有利于提高我國在高新技術工程領域的國際地位。相信在未來幾十年，人們對探地雷達技術的研究仍將保持積極的態度，并不斷取得進展。

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（作者單位：昆明理工大學）