基于专利分析的全球探地雷达技术研究

丁温馨

摘要：揭示了全球探地雷达技术的发展现状，为探地雷达技术的发展方向提供参考。基于近10年的专利数据，从专利申请情况、区域竞争力、研发机构和热点研究领域等方面揭示了全球探地雷达产业技术的研究进展。中、美、韩三国均拥有多项GPR专利。自2017年以来，中国专利申请数量快速增长。主要专利持有人为中国矿业大学（北京）、中国国家电网公司和中国铁路总公司。目前探地雷达技术的研究主要集中在三个方面：探地雷达在不同领域的应用、为探地雷达及其他辅助设备服务的计算机处理系统和技术、不同类型的探地雷达研究。技术前沿主要包括探地雷达在汽车、火车等机动车辆上的发展与应用、探地雷达图像增强与分析等。

关键词：专利分析；探地雷达；产业技术

探地雷达（GPR）是一种高效的浅层地球物理勘探技术。它发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电参数的差异，根据回波的波形、幅值、频率等动力学和运动学特性，分析和推导介质的物理性质和结构。与传统的地球物理方法相比，探地雷达具有方便快捷、操作简单、场地适应性强、抗干扰能力强、探测分辨率高等优点。目前广泛应用于公路路基检测、铁路隧道衬砌检测、农业调查、考古、矿产勘探、灾害地质调查、岩土工程调查、环境保护、工程质量检测、建筑结构检测、此外，钻孔雷达和月球雷达在各自的领域中也具有非常重要的地位。

探地雷达的历史可以追溯到20世纪初。1904年，德国人赫尔斯迈耶首次利用电磁信号探测地下金属物体。1910年，Leimback和Lowy申请了利用雷达原理进行地面探测的专利，利用一组钻孔中嵌入的偶极天线来探测地下电导率较高的区域，正式提出了探地雷达的概念。1968年左右，美国Teledyne microonetics公司在其他科研机构对视频雷达地面探测研究的基础上，研制出一套单周期雷达，并应用于加利福尼亚州的溶洞探测和公路路基下的地下采矿试验，可以说是最早的探地雷达设备。1970年，地球物理勘测系统公司（Geophysical S survey System S，Inc.）研制出了第一套商用探地雷达设备， 公司简称GSSI，生产雷达取名为地下界面雷达（SIR雷达）。在此之后，真正的无损快速探测——探地雷达（GPR）探测开始在岩土工程地质勘查的某些领域逐步实现。

为探究近十年探地雷达领域的发展现状，了解当前研究热点以及探索未来年份里可能成为重点的方法，本文基于德温特专利数据库（DII），运用CiteSpace科学知识可视化工具绘制关键词共现，手工代码共现等图来进行对比分析。

一、数据来源与检索策略

本文选用德温特专利数据库（DII）进行检索专利数据，Derwent Innovations Index（简称DII）是Thomson Derwent和 Thomson ISI 公司一起推出的基于 Web 的专利数据库，这一数据库整理合并 DerwentWorld Patents Index（德温特世界专利索引，简称 WPI）与Patents Citation Index（专利引文索引）数据，并且以每周更新的速度，提供全球的专利信息数据。DII 收录了全球 40 多个专利机构（包含 100 多个国家）的1000多万条基本发明专利信息，2000 多万条专利信息，资料回溯至1963年。所以，使用 DII 作为数据来源，能够保证数据的完整性。

基于相关文献的调研，征求不同专家意见，选择近10年的专利数据信息，检索以：主题=（“GROUND PENETRATING RADAR*”）为检索表达式；时间跨度=（2008-01-01^2020-12-31），因为根据我国《专利法》的规定，专利申请公开时间从国务院专利行政部门收到发明专利申请后，经初步审查认为符合《专利法》要求的，自申请日起满十八个月，即行公布。所以检索时间跨度不包含2021年，检索时间点是2021年11月11日，在DII中一共检索923 条数据。

二、专利申请态势

从2009～2019年探地雷达全球专利申请趋势图来看（见图1），近10年来，探地雷达全球专利申请量整体呈现稳步上升的态势，2017年以前申请量平稳增长，2017年之后开始以相对较快的速度增长。相信未来几年，申请趋势也会比较好。

三、区域竞争力

（一）主要优先权国家

近10年来，全球探地雷达专利受理数量最多的前三国家依次是中国、美国、韩国。（见图2）其中可见，中国的专利优先数量远远领先于其他国家/组织，减去2020年和2008年中国的优先权数量是572，全球的优先权数量是840，中国的优先权专利数量占全球数量的68.1%，可以判断中国在探地雷达领域的研发早，布局多。

（二）主要优先权国家（地区）申请量年度分布

从2009～2019年全球探地雷达专利优先申请国家（地区）的申请量年度分布（见图3）来看，中国，美国，韩国申请的相关专利较多，尤其是中国，从2013年开始加速增长，并且在2013年数量超过了美国，在2017年，与全球趋势相符合，以一个较快的速度增长，进入快车道，远超其他国家。美国从2016年开始申请量有所下降，可能在美国本土與探地雷达相关的专利研究内容达到相对饱和的状态。韩国在2011年和2018年申请数量突然增加，可能这两年突然出现了某些新兴的研究热点，给相关研究人员提供了研究素材。

四、专利权人分布

全球探地雷达领域专利权人分布（见图4）给出了全球探地雷达领域专利数量大于10的专利权人，共18个专利权人，拥有专利290项，占全部专利的31.4%。这18个专利权人，有12家在中国，4家在美国，1家在韩国，1家在以色列。可以看出，中国在探地雷达领域的研发力量占有绝对的优势。其中中国矿业大学（北京）位列第一，并且拥有的专利数量总数45项，超过第二名12项，占所有专利的4.8%。除此之外，美国在探地雷达专利权人的分布上相较于中国以外的国家也具有较为明显优势。

五、探地雷达领域技术热点、技术前沿

（一）技术热点领域识别

对探地雷达领域的研发热点的识别，有助于把握整个探地雷达领域研发动向，使得研发人员和企业清楚探地雷达的技术发展态势，从而达到资源合理应用于技术研发。

关键词共现知识图谱能够展现指定段时间内相关文献共同反映的热点词汇，在一篇专利文章中，虽然关键词的内容占比不大，但是反映的却是专利文章的核心内容，它高度概括和集中描述了专利技术，因此在分析专利的关键词时，频次高的关键词时常被用来确定描述一个领域的热点。本篇文章主要运用CiteSpace信息可视化软件，对检索的专利文章进行关键词分析、手工代码分析、突现率分析，得出探地雷达领域热点技术图谱、前沿技术图谱等，用来确定该领域的热点及前沿研究技术方向。

将检索的923篇专利导入CiteSpace进行数据转换，把DII数据格式转换为WoS，分析时间选择2008年1月到2020年12月，时间间隔为1年，主题词的来源选择标题、摘要，节点类型选择关键词，其他都按照默认设置选择。运行软件得到探地雷达技术热点图谱（见图5）。图中有92个节点，345条节点间连线，节点大的点表示出现的次数多，频次较多的关键词在一定程度上可以代表探地雷达领域的技术热点，突现率大的一定程度上可以代表该领域的前沿技术。

从探地雷达领域专利关键词共现网络图谱（见图5）中可以看出，w06（aviation_marine and radar systems）的节点最大，出现的频次最高，569次，探地雷达在国家各个大型项目中运用广泛，因此W06与海洋航空事业相关频次最高是符合现实的。出现频率第二高的热点词是t01（digital computers），316次，要实现探地雷达的各个方面的功能，需要数字计算机、数字电脑的辅助，所以t01一直都是探地雷达专利领域研究的一个重点之一。S03（scientific instrumentation）与科学仪器相关的研究热点排名第三，它也是探地雷达技术实现的辅助工具，理应属于研究热点。除了这些领域外，还有w02（broadcasting_radio and line transmission systems）无线电传输、s02（engineering instrumentation）工程仪器、q41（road_rail_bridge construction）公路铁路桥梁建设等研究 热点领域。

德温特手工代码（MC）用于标识专利的详细技术领域，本文分析手工代码用于辅助专利关键词共现热点技术识别，以便更全面、更详细地发现研究热点。

从探地雷达领域专利德温特人工代码共现网络图谱（见图6）可以看出，W06-A04A1的节点最大，即出现的频次最高，367次，含义是Determining target position？（确定目标位置），代表雷达技术领域。紧随其后的是W06-A04H出现频次215次，含义是Radar systems and applications （雷达系统及应用），代表天气雷达、工业雷达、交通监控等技术领域。S03-C02X出现频次199次，含义Electromagnetic prospecting methods-other （电磁勘测方法及其他），代表天线、射频、微波等技术领域。W06-A04出现频次136次，含义Radar systems （雷达系统），代表二次雷达系统、连续波雷达系统、综合孔径雷达等不同的雷达系统，这一词条与频次第一的词条有重复部分，但是W06-A04包含雷达系统的范围更广，W06-A04A1重点突出雷达系统的应用。W06-A04H3出现94次，含义是Mapping （绘制地图、分布图等），代表雷达探测绘图技术领域。W06-A04H1A出现56次，含义是Land vehicles （陆地上的机动车辆以及火车），这一代码在查询的注释里面说明了其代表的是火车及机动车辆的雷达系统技术。T01-J10B2出现频次48次，含义是Image analysis（图像分析）包括特征参数的确定和场景分析，代表的是雷达图像分析技术领域。T01-J07D3A出现频次45次，含义是Geographical information systems（地理信息系统），代表信息系统技术领域。

从关键词共现图谱和德温特手工代码共现图谱分析，可以得出，关键词频次最高和手工代码频次最高的词都是代表探地雷达系统的应用领域，所以我认为探地雷达领域专利的研究目前更加集中于不同领域的应用。除此之外，关键词词频第二和手工代码频次第七都是涉及计算机和信息系统等硬件研究领域，所以我认为目前想要对探地雷达进行更深一步的研究需要有相符合的地理信息系统辅助，所以信息系统的研究也是研究热点之一。还有，有关于探地雷达类型在共现图谱中出现的频次也很高，所以不同雷达类型也属于研究热点。

（二）技术前沿领域识别

使用Citespace的词频探测功能，通过考察词频的时间分布，选取出频次变化率高的词，依靠词频的变动趋势，而不仅仅是词频的高低来确定前沿领域和发展趋势。所以对于词语突现率（burst值）的研究可以用于确定技术前沿，burst值高的关键词可以代表技术前沿领域。

通過突现率（burst值）top15关键词（见图7）可以看出，x22（automotive electrics）汽车电气系统技术的burst值最高，w07（electrical military equipment and weapons）军用电气设备及武器位列第二，x23（electric railways and signalling）铁路电气和信号技术和q79（weapons_ammunition_blasting）弹药爆破技术位列第三第四，这四类处于探地雷达技术领域的最前沿，关注度最高。除此之外，u23（oscillation and modulation）、u24（ampliflers and low power supplies）半导体与电子电路技术burst值也比较高。

通过突现率（burst值）前top14的手工代码（见图8）可以看出，W06-A04H1A突现率（burst值）最高，W06-A04H1A含义是Land vehicles，包含机动车辆及火车的雷达系统。X22-X06的含义是Non-engine related measurements/sensors，代表传感器技术领域。T01-J10B1的burst值排第三，T01-J10B1的含义是Image enhancement图像增强，包括使用直方图，去模糊，噪声滤波和边缘检测等技术。X22-J05A的含义是Radar systems，雷达系统，代表二次雷达系统、连续波雷达系统、综合孔径雷达等不同的雷达系统技术。T01-J10B2的含义是Image analysis（图像分析）包括特征参数的确定和场景分析，代表的是雷达图像分析技术领域。T01-J04A的含义是For solving equations ，方程求解，代表信息系统解决微分，多项式，线性规划的技术。

通过关键词和手工代码的突现率分析，可以得出，关键词突现率较高和手工代码突现率最高的词都指向汽车、火车等技术领域的应用，所以我认为关于探地雷达专利的研究未来会更多集中在汽车和火车中雷达的发明应用。根据手工代码突现率结果，探地雷达图像增强和分析技术、探地雷达系统类型等都有可能成为未来的研究方向。

六、结语

本文利用CiteSpace可视化软件，对DII数据库下载的近十年（2009～2019年）的探地雷达专利进行统计分析，得出以下结论。

第一，探地雷达领域处于快速发展阶段。2017年以前专利申请量呈匀速增长趋势，2017年申请量开始大幅度增长，中国的探地雷达专利数量占明显优势，美国、韩国相比于其他国家的申请数量，也具有较大优势。中国申请数量占比很大，因此主导了大部分探地雷达领域专利的发展趋势。

第二，探地雷达领域技术发展态势比较集中，主要专利人拥有专利数据较为聚拢。拥有专利数量大于10项的专利权人总共18位，有12家在中国，4家在美国，1家在韩国，1家在以色列。中国的专利权人主要分属于中国矿业大学（北京）、中国国家电网公司、中国铁路总公司、中南大学、中国电子科学研究院、中国电子科技大学、长安大学、哈尔滨工业大学、北京华航无线电测量研究所、中国神华能源有限公司、同济大学、厦门大学，其中中国矿业大学（北京）拥有专利数量排名第一。美国有爱尔华有限公司、地球物理测量公司、麻省理工学院、L-3通讯公司，都属于主要专利权人。

第三，从专利技术主题分析，目前探地雷达技术发展偏向于探地雷达在不同领域的应用研究、服务于探地雷达的计算机处理系统及技术和其他辅助设备研究、不同类型的探地雷达研究。探地雷达在不同领域的应用研究主要是在天气、工业、航空、航海等方面的应用。计算机处理系统主要包括地理信息系统和数据的处理分析。探地雷达的类型研究主要包括二次雷达、连续波雷达等类型。

第四，通过对探地雷达研发前沿分析，首先，探地雷达在汽车、火车等机动车辆上的研发应用可能成为未来一段时间的关注重点。其次，有关于探地雷达图像增强和分析也可能成为未来的研究方向之一。最后，关于探地雷达的类型研究，其目前是研究的热点之一，根据可视化前沿分析结果，可以说明其未來也将继续成为热点。

探地雷达覆盖的领域很广。毫无疑问，探地雷达的深入研究和开发应用正在推动着时代的发展。探地雷达技术的快速发展，有利于提高我国在高新技术工程领域的国际地位。相信在未来几十年，人们对探地雷达技术的研究仍将保持积极的态度，并不断取得进展。

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（作者单位：昆明理工大学）