[原创]分布光纤测温DTS产品在市场上两种主流产品架构的区别与对比-未来趋势必然向单板化方向发展

“硬件DTS温度数据解码”与“软件DTS温度数据解码”

两种拉曼测温DTS产品架构对比（目前市场两种主流DTS产品架构）

• 行业技术路线发展历史背景

DTS的原型机，可追溯至1990年左右，1990年至2010年间，普遍DTS产品架构为“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”软件解码方案。由安捷伦AP（光电仪器仪表领域领军企业，全球企业1000强，DTS销售价格单台平均为30万元，国际国内最高端的DTS设备，世界范围内得到广泛认可）的DTS设备在2010年左右，为了适用市场的需求，率先将[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]的老版架构，彻底改变，采用FPGA+ARM架构，即windows解调软件与数据采集卡合二为一，自主开发数据采集卡的同时彻底摒弃工控机，摈弃windows操作系统，所有的温度解调算法在FPGA+ARM嵌入式系统中完成，第一次实现单板化设计，主机通过一块主板的网口直接输出温度数据，不再依赖于操作系统，数据可以对接至linux操作系统、WEB平台、南网系统、国网系统以及任何第三方平台，新一代的架构相比老架构有明显的优势，适应性更强。

国内的DTS的研发，早于2000年左右，第一代与第二代产品，仍然延续架“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”的架构模式。直至2022年的今天，行业内，仍然有大部分企业沿用这种架构。其真正的根本原因，并非不知道“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”的优势，其本质原因在于，此类企业，研发能力较弱，无法完成完全自主设计开发。而只能外购模块，拼装DTS设备，因“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”门槛较低，可以通过外购光路模块，外购通用型数据采集卡（通常为PCIE接口双路200Mbps数据采集卡），再将PCIE采集卡像显卡一样插入至工控机的PCIE插槽内，通过widows主机以200MByte/s的速度读取PCIE数据采集卡之中的斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号，通过开发基于windows的解调算法软件，将斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号转换，“软件温度数据解码”成温度信号，再展示出来。

自2014年开始，国内第一线研发人员，认识到老架构的弊端（像是一台游戏电脑主机架构，PCIE插卡式数据采集卡，像是游戏显卡）。同时安捷伦的“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”的优势越来越明显，稳定性与可靠性提升一个大的台阶。“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”数据流程如下，其中光路模块可整体外购、可定制生产、也可以委托加工，斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号进入至单板化嵌入式板卡，单板化嵌入式板卡集成了处理器与200Mbps数据采集卡功能，通过嵌入式算法在航空级FPGA芯片中“硬件温度数据解码”运行，稳定可靠，直接将200Mbps数据处理成温度，并将温度数据发送并展示出来。自2014年始，部分DTS行业龙头企业，开始将产品架构陆续改变为此种模式，但是此种架构，对研发人员的技术水平，要求较高，需要同时具备以下能力。1）、光学高速数据采集FPGA开发能力；2）、具备嵌入式DTS解调算法的优化；3）.具备拉曼光学的设计能力；4）、具备200Mbps数据处理能力。因此，至今几乎行业达成一种共识，具备安捷伦架构DTS开发能力的公司，要么是行业1亿销售额以上的龙头公司，要么是资深的一线DTS研发公司，仅此两类。

二、优势对比

两种DTS架构对比	FPGA+ARM单板化集成架构	[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]拼装架构
解调架构区别	采用FPGA“硬解码”温度数据	通过windows软件“软解码”温度数据
稳定性与可靠性	此架构采用航空级FPGA处理数据，中间没有数据转换，200Mbps数据进来直接处理，接口采集焊接方式。FPGA广泛应用于光通信、航空航空及军工领域，是所有芯片中，安全可靠性级别最高的。可直接在野外环境下使用，适应于高达+60度以上的高温和-25度低温。	通用数据采集卡，通过插卡式的PCIE接口或者USB接口，将200Mbps的数据导入至内存后再使用intel或者amd的CPU进行算法处理成温度。这种类似于游戏主机的架构可靠性与稳定性，大打折扣，稍微的晃动，长途运输，信号干扰，都容易造成数据出错。另外大部分情况下，无法适用野外环境，高温或者低温，容易造成windows主机直接宕机故障。
三防性能	此架构，因摒弃了PC机。可以将整个主板用三防漆固封，表面防水、防潮、防尘“三防”性能和耐冷热冲击、耐老化、耐辐射、耐盐雾、耐臭氧腐蚀、耐振动、柔韧性好、附着力强等性能。防护pcb电路板，减少外界对电路板的损害。在海上平台、煤矿，电力、石油等潮湿，腐蚀，灰尘环境下优势明显	因必须依赖于windows及数据采集卡，工控机主板因为有插卡式的PCIE接口、USB接口、内存、固态硬盘等，无法三防处理。在潮湿，腐蚀，灰尘的环境下，故障率极高
电磁兼容性能	整机架构单板化处理，可适应于各种电磁环境	因主机内部自带windows硬件工控机，在电磁兼容性能较差，容易受到干扰
可维护性	FPGA+ARM单板化主机，可维护性非常强	工控机故障率在恶劣工业环境下，损坏概率较大。不仅仅面临硬件故障，如工控机CPU故障、内存故障、硬盘故障、外设故障等，还面临windows系统故障，如中毒，系统更新故障、进程故障等。部分现场维护人员，任意插U盘，用windows电脑主机作其它用途等。所有的以上任何故障，在客户眼里，都是设备销售方的责任，将电话通知销售方进行维护，增加沟通成本、差旅人工成本，以及客户的信任感大打折扣
成本对比	FPGA+ARM单板化主机的数据采集部分，必须自主设计，同时不需要windows工控机，集成度更高，成本更低。	DTS使用的200Mbps数据采集卡本身价格较高，如国际品牌NI，双路12位以上200Mbps数据采集采集成本即为3万元以上，另外还有工控机成本，正版的windows操作系统成本等。叠加光路成本以后，此类架构的成本往往比FPGA+ARM单板化主机高不少。维护成本与售后成本也高很多
功耗对比	FPGA+ARM单板化主机，功耗可以降低至6-8W。可做手持式设备。或者通过UPS在野外工作很长时间。部分行业，如煤矿，石油等领域对功耗有特殊要求，隔爆认证，石油认证等对设备功耗有明确要求越低越好，节能减减排的趋势。部分工程要求断电情况下24小时不间断运行，同等情况下，选配的UPS电源规格体积重量更小价格更低。同时，在野外环境下，可直接使用太阳能供电，功耗等效于一个普通球形摄像头	因高性能工控机功耗较高，普遍在30W左右，加上通用性的数据采集卡以及激光器等。整机功耗平均在40-50W左右。在对功耗要求较高的领域无法使用，在工程要求外配24小时UPS电源的情况下，相比嵌入式单板化主机6-7倍功耗的相比，USP备电的成本、体积重量直线上涨。功耗太大，通常无法直接使用野外摄像头通用型的小体积太阳能电池板供电。
安全性与可适应性	FPGA+ARM单板化主机，可扩展适应性强，可以适应于各个领域，安全性与可适应性，不受操作系统的限制。可直接接入到JAVA开发的WEB平台，LINUX操作系统，PLC以及内网系统。不依赖于操作系统。	由于DTS应用领域主要是大型的工程项目，如城市管廊、油气生命线、储油、重大电力项目、隧道、南水北调、西气东输、地铁、军工等领域。去windows化的趋势越来越明显，防止重大工程、军事、重要设施外泄，在安全领域，严格限制windows操作系统准入，防止数据泄露。如DTS设备在南网与国网重要线路上使用，要提供主机的windows操作系统漏洞报告及无安全隐患证明。由于windows漏洞非常多，需要近一年的时间，多次提交报告。往后，此趋势将越来越严格。
外观形态对比	FPGA+ARM单板化主机体积可以做到家用交换机大小，最小可达到270mm*200mm*60mm。便携，体积小，重量轻，可以无缝嵌入至其它系统中。比如煤矿隔爆系统，可以有效减少整体系统的体积重量，减小隔爆箱的成本。	带工控机设备，由于工控机性能有要求，体积受限。无法适应于各种形态，体积往往较大。比较难以嵌入到其它大系统中。
性能指标参数	由于FPGA+ARM单板化系统，采集部分，必须由厂家自主设计，因此有能力在数据采集时即集成一些嵌入式软件算法，如抑制高斯白噪声的小波算法和反卷积算法等，可以将温度峰峰噪声减少至±0.1℃，可以有效提高空间分辨率至0.8米以内。在小热点、高空间分辨率等高精度测量情况下，优势特别明显。	数据采集使用是通用型数据采集卡，作用仅限于数据采集与上传，无法在数据采集端集成硬件滤波算法及解调算法，性能指标通常停留在温度噪声峰峰值±1℃，空间分辨率3米的性能指标下。
组网便利性	采用嵌入式单板化主机，网口输出即温度，可以自由组网，多台设备直接挂载于路由器与交换机之下，数据可以直接上传至服务器及物联网云平台。可通过太阳能供电外接4G模块将数据直接送到阿里云、华为云、移动云等通用型的云平台	所有的组网依赖于工控机电脑及windows操作系统，组网协议复杂。难以直接接入至云平台。一般需要进行数据转发协议，将数据转发至平台。

三、两种产品架构区别

（1）[FPGA+ARM单板化主机]的温度数据“硬解码”方案

其中左侧灰色框内，为单板化DTS主机内部结构，仅为示意图，但功能组成清晰完整。包括光路组合模块、光电模块及电源、以及一块自主研发的专用温度“硬解码”主板。右侧为外接模块，如九宫格科技感液晶显示屏，可通过路由器或者交换机，利用RJ45网口实现本地化显示、云平台显示或者接入到整个工程系统大屏，“硬解码”的温度数据支持所有的操作系统及平台。

（2）[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件主机]的温度数据“软解码”方案

其中左侧灰色框内，为[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件主机]内部结构，仅为示意图，但功能组成清晰完整。包括光路组合模块、光电模块及电源、一块外购的通用型双路200Mbps的PCIE插卡式数据采集卡、一套带PICE扩展槽的工业计算机以及一套DTS数据温度解码软件。右侧为外接模块，如VGA温度显示器，可通过服务器数据转发，利用RJ45网口实现本地化显示、云平台显示或者接入到整个工程系统大屏。“软件温度数据解码”必须依赖于windows主机，通过软件解调温度数据。

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