基于專利分析的全球探地雷達(dá)技術(shù)研究

丁溫馨

摘要：揭示了全球探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展方向提供參考?；诮?0年的專利數(shù)據(jù)，從專利申請情況、區(qū)域競爭力、研發(fā)機(jī)構(gòu)和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域等方面揭示了全球探地雷達(dá)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的研究進(jìn)展。中、美、韓三國均擁有多項(xiàng)GPR專利。自2017年以來，中國專利申請數(shù)量快速增長。主要專利持有人為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、中國國家電網(wǎng)公司和中國鐵路總公司。目前探地雷達(dá)技術(shù)的研究主要集中在三個(gè)方面：探地雷達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用、為探地雷達(dá)及其他輔助設(shè)備服務(wù)的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和技術(shù)、不同類型的探地雷達(dá)研究。技術(shù)前沿主要包括探地雷達(dá)在汽車、火車等機(jī)動(dòng)車輛上的發(fā)展與應(yīng)用、探地雷達(dá)圖像增強(qiáng)與分析等。

關(guān)鍵詞：專利分析；探地雷達(dá)；產(chǎn)業(yè)技術(shù)

探地雷達(dá)（GPR）是一種高效的淺層地球物理勘探技術(shù)。它發(fā)射高頻電磁脈沖波，利用地下介質(zhì)電參數(shù)的差異，根據(jù)回波的波形、幅值、頻率等動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，分析和推導(dǎo)介質(zhì)的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的地球物理方法相比，探地雷達(dá)具有方便快捷、操作簡單、場地適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、探測分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于公路路基檢測、鐵路隧道襯砌檢測、農(nóng)業(yè)調(diào)查、考古、礦產(chǎn)勘探、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、巖土工程調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、工程質(zhì)量檢測、建筑結(jié)構(gòu)檢測、此外，鉆孔雷達(dá)和月球雷達(dá)在各自的領(lǐng)域中也具有非常重要的地位。

探地雷達(dá)的歷史可以追溯到20世紀(jì)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(dá)原理進(jìn)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(dǎo)率較高的區(qū)域，正式提出了探地雷達(dá)的概念。1968年左右，美國Teledyne microonetics公司在其他科研機(jī)構(gòu)對視頻雷達(dá)地面探測研究的基礎(chǔ)上，研制出一套單周期雷達(dá)，并應(yīng)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(yàn)，可以說是最早的探地雷達(dá)設(shè)備。1970年，地球物理勘測系統(tǒng)公司（Geophysical S survey System S，Inc.）研制出了第一套商用探地雷達(dá)設(shè)備， 公司簡稱GSSI，生產(chǎn)雷達(dá)取名為地下界面雷達(dá)（SIR雷達(dá)）。在此之后，真正的無損快速探測——探地雷達(dá)（GPR）探測開始在巖土工程地質(zhì)勘查的某些領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)。

為探究近十年探地雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，了解當(dāng)前研究熱點(diǎn)以及探索未來年份里可能成為重點(diǎn)的方法，本文基于德溫特專利數(shù)據(jù)庫（DII），運(yùn)用CiteSpace科學(xué)知識(shí)可視化工具繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)，手工代碼共現(xiàn)等圖來進(jìn)行對比分析。

一、數(shù)據(jù)來源與檢索策略

本文選用德溫特專利數(shù)據(jù)庫（DII）進(jìn)行檢索專利數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)庫，這一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并且以每周更新的速度，提供全球的專利信息數(shù)據(jù)。DII 收錄了全球 40 多個(gè)專利機(jī)構(gòu)（包含 100 多個(gè)國家）的1000多萬條基本發(fā)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(shù)據(jù)來源，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性。

基于相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，征求不同專家意見，選擇近10年的專利數(shù)據(jù)信息，檢索以：主題=（“GROUND PENETRATING RADAR*”）為檢索表達(dá)式；時(shí)間跨度=（2008-01-01^2020-12-31），因?yàn)楦鶕?jù)我國《專利法》的規(guī)定，專利申請公開時(shí)間從國務(wù)院專利行政部門收到發(fā)明專利申請后，經(jīng)初步審查認(rèn)為符合《專利法》要求的，自申請日起滿十八個(gè)月，即行公布。所以檢索時(shí)間跨度不包含2021年，檢索時(shí)間點(diǎn)是2021年11月11日，在DII中一共檢索923 條數(shù)據(jù)。

二、專利申請態(tài)勢

從2009～2019年探地雷達(dá)全球?qū)＠暾堏厔輬D來看（見圖1），近10年來，探地雷達(dá)全球?qū)＠暾埩空w呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢，2017年以前申請量平穩(wěn)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(huì)比較好。

三、區(qū)域競爭力

（一）主要優(yōu)先權(quán)國家

近10年來，全球探地雷達(dá)專利受理數(shù)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(yōu)先數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國家/組織，減去2020年和2008年中國的優(yōu)先權(quán)數(shù)量是572，全球的優(yōu)先權(quán)數(shù)量是840，中國的優(yōu)先權(quán)專利數(shù)量占全球數(shù)量的68.1%，可以判斷中國在探地雷達(dá)領(lǐng)域的研發(fā)早，布局多。

（二）主要優(yōu)先權(quán)國家（地區(qū)）申請量年度分布

從2009～2019年全球探地雷達(dá)專利優(yōu)先申請國家（地區(qū)）的申請量年度分布（見圖3）來看，中國，美國，韓國申請的相關(guān)專利較多，尤其是中國，從2013年開始加速增長，并且在2013年數(shù)量超過了美國，在2017年，與全球趨勢相符合，以一個(gè)較快的速度增長，進(jìn)入快車道，遠(yuǎn)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(dá)相關(guān)的專利研究內(nèi)容達(dá)到相對飽和的狀態(tài)。韓國在2011年和2018年申請數(shù)量突然增加，可能這兩年突然出現(xiàn)了某些新興的研究熱點(diǎn)，給相關(guān)研究人員提供了研究素材。

四、專利權(quán)人分布

全球探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠麢?quán)人分布（見圖4）給出了全球探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量大于10的專利權(quán)人，共18個(gè)專利權(quán)人，擁有專利290項(xiàng)，占全部專利的31.4%。這18個(gè)專利權(quán)人，有12家在中國，4家在美國，1家在韓國，1家在以色列?？梢钥闯觯袊谔降乩走_(dá)領(lǐng)域的研發(fā)力量占有絕對的優(yōu)勢。其中中國礦業(yè)大學(xué)（北京）位列第一，并且擁有的專利數(shù)量總數(shù)45項(xiàng)，超過第二名12項(xiàng)，占所有專利的4.8%。除此之外，美國在探地雷達(dá)專利權(quán)人的分布上相較于中國以外的國家也具有較為明顯優(yōu)勢。

五、探地雷達(dá)領(lǐng)域技術(shù)熱點(diǎn)、技術(shù)前沿

（一）技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域識(shí)別

對探地雷達(dá)領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)的識(shí)別，有助于把握整個(gè)探地雷達(dá)領(lǐng)域研發(fā)動(dòng)向，使得研發(fā)人員和企業(yè)清楚探地雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，從而達(dá)到資源合理應(yīng)用于技術(shù)研發(fā)。

關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)圖譜能夠展現(xiàn)指定段時(shí)間內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)共同反映的熱點(diǎn)詞匯，在一篇專利文章中，雖然關(guān)鍵詞的內(nèi)容占比不大，但是反映的卻是專利文章的核心內(nèi)容，它高度概括和集中描述了專利技術(shù)，因此在分析專利的關(guān)鍵詞時(shí)，頻次高的關(guān)鍵詞時(shí)常被用來確定描述一個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本篇文章主要運(yùn)用CiteSpace信息可視化軟件，對檢索的專利文章進(jìn)行關(guān)鍵詞分析、手工代碼分析、突現(xiàn)率分析，得出探地雷達(dá)領(lǐng)域熱點(diǎn)技術(shù)圖譜、前沿技術(shù)圖譜等，用來確定該領(lǐng)域的熱點(diǎn)及前沿研究技術(shù)方向。

將檢索的923篇專利導(dǎo)入CiteSpace進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把DII數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為WoS，分析時(shí)間選擇2008年1月到2020年12月，時(shí)間間隔為1年，主題詞的來源選擇標(biāo)題、摘要，節(jié)點(diǎn)類型選擇關(guān)鍵詞，其他都按照默認(rèn)設(shè)置選擇。運(yùn)行軟件得到探地雷達(dá)技術(shù)熱點(diǎn)圖譜（見圖5）。圖中有92個(gè)節(jié)點(diǎn)，345條節(jié)點(diǎn)間連線，節(jié)點(diǎn)大的點(diǎn)表示出現(xiàn)的次數(shù)多，頻次較多的關(guān)鍵詞在一定程度上可以代表探地雷達(dá)領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，突現(xiàn)率大的一定程度上可以代表該領(lǐng)域的前沿技術(shù)。

從探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠P(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜（見圖5）中可以看出，w06（aviation_marine and radar systems）的節(jié)點(diǎn)最大，出現(xiàn)的頻次最高，569次，探地雷達(dá)在國家各個(gè)大型項(xiàng)目中運(yùn)用廣泛，因此W06與海洋航空事業(yè)相關(guān)頻次最高是符合現(xiàn)實(shí)的。出現(xiàn)頻率第二高的熱點(diǎn)詞是t01（digital computers），316次，要實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)的各個(gè)方面的功能，需要數(shù)字計(jì)算機(jī)、數(shù)字電腦的輔助，所以t01一直都是探地雷達(dá)專利領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)之一。S03（scientific instrumentation）與科學(xué)儀器相關(guān)的研究熱點(diǎn)排名第三，它也是探地雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的輔助工具，理應(yīng)屬于研究熱點(diǎn)。除了這些領(lǐng)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(shè)等研究 熱點(diǎn)領(lǐng)域。

德溫特手工代碼（MC）用于標(biāo)識(shí)專利的詳細(xì)技術(shù)領(lǐng)域，本文分析手工代碼用于輔助專利關(guān)鍵詞共現(xiàn)熱點(diǎn)技術(shù)識(shí)別，以便更全面、更詳細(xì)地發(fā)現(xiàn)研究熱點(diǎn)。

從探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠聹靥厝斯ごa共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜（見圖6）可以看出，W06-A04A1的節(jié)點(diǎn)最大，即出現(xiàn)的頻次最高，367次，含義是Determining target position？（確定目標(biāo)位置），代表雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。緊隨其后的是W06-A04H出現(xiàn)頻次215次，含義是Radar systems and applications （雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用），代表天氣雷達(dá)、工業(yè)雷達(dá)、交通監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。S03-C02X出現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域。W06-A04出現(xiàn)頻次136次，含義Radar systems （雷達(dá)系統(tǒng)），代表二次雷達(dá)系統(tǒng)、連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)、綜合孔徑雷達(dá)等不同的雷達(dá)系統(tǒng)，這一詞條與頻次第一的詞條有重復(fù)部分，但是W06-A04包含雷達(dá)系統(tǒng)的范圍更廣，W06-A04A1重點(diǎn)突出雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。W06-A04H3出現(xiàn)94次，含義是Mapping （繪制地圖、分布圖等），代表雷達(dá)探測繪圖技術(shù)領(lǐng)域。W06-A04H1A出現(xiàn)56次，含義是Land vehicles （陸地上的機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)車輛的雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)。T01-J10B2出現(xiàn)頻次48次，含義是Image analysis（圖像分析）包括特征參數(shù)的確定和場景分析，代表的是雷達(dá)圖像分析技術(shù)領(lǐng)域。T01-J07D3A出現(xiàn)頻次45次，含義是Geographical information systems（地理信息系統(tǒng)），代表信息系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

從關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜分析，可以得出，關(guān)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(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，所以我認(rèn)為探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠难芯磕壳案蛹杏诓煌I(lǐng)域的應(yīng)用。除此之外，關(guān)鍵詞詞頻第二和手工代碼頻次第七都是涉及計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)等硬件研究領(lǐng)域，所以我認(rèn)為目前想要對探地雷達(dá)進(jìn)行更深一步的研究需要有相符合的地理信息系統(tǒng)輔助，所以信息系統(tǒng)的研究也是研究熱點(diǎn)之一。還有，有關(guān)于探地雷達(dá)類型在共現(xiàn)圖譜中出現(xiàn)的頻次也很高，所以不同雷達(dá)類型也屬于研究熱點(diǎn)。

（二）技術(shù)前沿領(lǐng)域識(shí)別

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

通過突現(xiàn)率（burst值）top15關(guān)鍵詞（見圖7）可以看出，x22（automotive electrics）汽車電氣系統(tǒng)技術(shù)的burst值最高，w07（electrical military equipment and weapons）軍用電氣設(shè)備及武器位列第二，x23（electric railways and signalling）鐵路電氣和信號技術(shù)和q79（weapons_ammunition_blasting）彈藥爆破技術(shù)位列第三第四，這四類處于探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的最前沿，關(guān)注度最高。除此之外，u23（oscillation and modulation）、u24（ampliflers and low power supplies）半導(dǎo)體與電子電路技術(shù)burst值也比較高。

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

通過關(guān)鍵詞和手工代碼的突現(xiàn)率分析，可以得出，關(guān)鍵詞突現(xiàn)率較高和手工代碼突現(xiàn)率最高的詞都指向汽車、火車等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，所以我認(rèn)為關(guān)于探地雷達(dá)專利的研究未來會(huì)更多集中在汽車和火車中雷達(dá)的發(fā)明應(yīng)用。根據(jù)手工代碼突現(xiàn)率結(jié)果，探地雷達(dá)圖像增強(qiáng)和分析技術(shù)、探地雷達(dá)系統(tǒng)類型等都有可能成為未來的研究方向。

六、結(jié)語

本文利用CiteSpace可視化軟件，對DII數(shù)據(jù)庫下載的近十年（2009～2019年）的探地雷達(dá)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論。

第一，探地雷達(dá)領(lǐng)域處于快速發(fā)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(dá)專利數(shù)量占明顯優(yōu)勢，美國、韓國相比于其他國家的申請數(shù)量，也具有較大優(yōu)勢。中國申請數(shù)量占比很大，因此主導(dǎo)了大部分探地雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＠陌l(fā)展趨勢。

第二，探地雷達(dá)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展態(tài)勢比較集中，主要專利人擁有專利數(shù)據(jù)較為聚攏。擁有專利數(shù)量大于10項(xiàng)的專利權(quán)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(quán)人主要分屬于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、中國國家電網(wǎng)公司、中國鐵路總公司、中南大學(xué)、中國電子科學(xué)研究院、中國電子科技大學(xué)、長安大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京華航無線電測量研究所、中國神華能源有限公司、同濟(jì)大學(xué)、廈門大學(xué)，其中中國礦業(yè)大學(xué)（北京）擁有專利數(shù)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(xué)院、L-3通訊公司，都屬于主要專利權(quán)人。

第三，從專利技術(shù)主題分析，目前探地雷達(dá)技術(shù)發(fā)展偏向于探地雷達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究、服務(wù)于探地雷達(dá)的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)及技術(shù)和其他輔助設(shè)備研究、不同類型的探地雷達(dá)研究。探地雷達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要是在天氣、工業(yè)、航空、航海等方面的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)主要包括地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的處理分析。探地雷達(dá)的類型研究主要包括二次雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)等類型。

第四，通過對探地雷達(dá)研發(fā)前沿分析，首先，探地雷達(dá)在汽車、火車等機(jī)動(dòng)車輛上的研發(fā)應(yīng)用可能成為未來一段時(shí)間的關(guān)注重點(diǎn)。其次，有關(guān)于探地雷達(dá)圖像增強(qiáng)和分析也可能成為未來的研究方向之一。最后，關(guān)于探地雷達(dá)的類型研究，其目前是研究的熱點(diǎn)之一，根據(jù)可視化前沿分析結(jié)果，可以說明其未來也將繼續(xù)成為熱點(diǎn)。

探地雷達(dá)覆蓋的領(lǐng)域很廣。毫無疑問，探地雷達(dá)的深入研究和開發(fā)應(yīng)用正在推動(dòng)著時(shí)代的發(fā)展。探地雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，有利于提高我國在高新技術(shù)工程領(lǐng)域的國際地位。相信在未來幾十年，人們對探地雷達(dá)技術(shù)的研究仍將保持積極的態(tài)度，并不斷取得進(jìn)展。

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（作者單位：昆明理工大學(xué)）