水下单光子通信测试完成：实现低光照条件下数据传输

在海洋勘探、水下安防、深海科考等领域，水下通信是连接 “水下设备”和“地面系统” 的关键。从水下机器人的实时控制，到深海热泉观测的高清视频回传，到水下安防的隐蔽数据传输，这些都离不开稳定、高效的通信，地上通信几乎已经支持人类的各种需求，但水下的干扰因素与强度远比地上更加严重，常规水下通信渐渐无法满足人类需求，单光子通信是满足这一需求的重点突破方向，两者对比可见：

常规水下通信的核心痛点之一在于水下环境中，水分子、悬浮颗粒会持续吸收和散射光信号，导致信号强度随距离呈指数衰减，常规光通信往往在10米内就因信号微弱而失效；而单光子水下通信拥有“超灵敏探测能力”，将信号捕捉下限拉至“单个光子”，彻底突破弱光传输瓶颈。

常规水下通信受限于技术原理，速率普遍较低，难以满足高清视频回传、海量数据传输需求；单光子水下通信借助 “皮秒级时间分辨”和“高效解析算法”，实现带宽与速率的巨大突破。

常规水下通信在抗干扰与隐蔽性方面存在明显短板：常规光通信依赖光强编码，易受环境光干扰导致误码率飙升；射频通信易受电磁干扰且信号易被截获；声呐信号在安防场景中易暴露位置。单光子水下通信通过光子时间戳解析和窄光束激光，可有效过滤环境干扰并实现隐蔽传输，在水下安防、军事通信等保密场景具有常规技术无法替代的优势。

PMA Hybrid：单光子的“直接捕捉者”，实现超微弱光信号的物理转换

图1 PMA设备图

基于 Hamamatsu R10467 光电倍增管，集高探测效率、低噪声、快时间响应于一体，能精准实现超微弱光信号物理转换，满足单光子探测核心需求。内置珀尔帖制冷器降低暗计数率，搭配镍涂层铝制外壳实现高等级 RF 屏蔽，大幅减少外界电磁干扰，保障单光子捕捉不受噪声影响。蓝光敏感型号时间响应宽度（FWHM）低至 50ps，可捕捉分子荧光寿命细微差异；“可忽略的后脉冲” 设计避免伪峰干扰，输出纯净信号，为数据分析提供可靠保障。

图2 PMA Hybrid 系列型号探测器的光谱响应曲线

TimeHarp 260 PICO：单光子时间信息的 “精准转换器”，实现皮秒级时间分辨

单光子设备解析需 “探测器 - 计数板 - 分析软件” 的协同，作为单光子设备 “探测器 - 计数板 - 分析软件” 协同链路的关键节点，通过 PCIe 接口与电脑稳定连接，硬件接口和功能适配性优，保障全链路数据流转顺畅；

图3 TimeHarp 260计数板图

拥有 32768 个直方图通道，能将时间范围精细划分，为荧光衰减曲线、TRES 等分析提供高分辨率原始数据，杜绝因通道不足导致的时间信息压缩；32bit 计数深度（可支持 42.9 亿计数），能满足几小时长时测量需求，彻底解决传统 16bit 设备（仅 6.5 万计数）易溢出、需频繁中断实验的数据丢失问题。

自主优化解析程序：硬件系统的 “数据翻译官”，自主实现并优化与硬件设备相匹配的解析能力

图4 解析逻辑流程图

解析程序将 TimeHarp 260 记录的 “光子时间戳”（硬件语言），转化为能理解的 “通信数据”，同时反向验证硬件系统的通信性能，是单光子水下测试不可或缺的软件核心。

程序首先完成 “硬件数据加载 + 测试条件对齐”，为后续解析奠定基础：读取 TimeHarp 260 生成的.ptu文件，提取其中的核心信息 ——光子事件时间戳（反映每个光子到达探测器的精确时间）与总光子数，这是解析的原始素材，直接对应 PMT 探测器的接收结果。

计算 “每秒光子数”：根据时间戳的时间跨度与总光子数，反推 PMT 探测器的实际接收速率，判断硬件接收的信号强度是否满足解析阈值；

选择 “传输速率”：用户根据硬件测试时的激光发送速率（10k/100k/1M），在程序中选择对应速率，程序会自动匹配 TimeHarp 260 的计数周期（100k速率对应10μs计数周期），确保解析节奏与硬件发送节奏一致。

激光发射端按固定周期发送数据帧（测试报告中上位机控制的 10k 速率，对应每帧发送间隔 100μs），TimeHarp 260 记录的光子时间戳会呈现 “帧内光子密集、帧间光子稀疏”的特征。

程序利用这一硬件特性，通过 “时间窗口统计” 定位帧头：在时间轴上划分固定窗口（窗口大小与硬件发送周期匹配），统计每个窗口内的光子数，光子数骤增的窗口即为 “数据帧起始位置（帧头）”，对应测试报告中 “调整激光角度改变光子数” 后，程序能动态识别帧头的逻辑。

对帧头以外的低光子数窗口（暗计数对应的单光子事件）直接剔除，仅保留帧头后续的连续光子密集段 —— 这一步对应硬件中 PMT 的 “低暗计数设计” 与 TimeHarp 260 的 “过载保护”，双重保障原始数据的信噪比，程序则进一步通过帧结构筛选，确保解析对象为有效信号。

按硬件协议解析数据：激光发射端（FPGA 控制）按固定格式发送数据（测试报告中“AA0055CCEEEEEEEEEE17# 发送数据” 的格式），每个数据位对应特定时间长度的光子信号（1个数据位对应 1 个计数周期的光子有无）。

程序根据 TimeHarp 260 记录的光子时间戳，判断每个数据位的“有光 / 无光” 状态（对应二进制0/1），再将二进制序列拼接为字节数据，最终转化为 16 进制或明文（将“1a2b3c”从16 进制还原为原始发送内容）。

数据有效性校验：程序对比解析结果与硬件发送的固定格式（校验头“AA0055CC”是否存在、数据长度是否匹配），判断解析数据是否完整 —— 对应测试报告中 “数据校验通过/未通过” 的结果（水下 4m 测试中，光子数达到最低数量时校验通过，光子数不足时校验失败），直接反映硬件系统（PMT+TimeHarp 260+激光发射端）的水下通信稳定性。

选择解析导入ptu的文件，解析ptu文件中的光子数会显示出来，与接收端采集光子数一致，选择与激光发送速率对应的解析速率，点击解析得到全部的16进制数据显示在“实时解析信息”栏，经过固定前缀的容错匹配找寻到真实传输的数据显示在“接收到的的数据”栏，解析完成后会显示解析出来的数据条数。

图5 解析程序界面

测试过程：4米水下实现高精准数据传输

图6 试验场景图

此次测试展现了六博光电在单光子设备应用中的技术整合与场景适配能力 —— 并非依赖单一硬件研发，而是通过对过往测试经验总结与硬件的一定理解，搭建 “硬件协同 + 软件解析 的全链路测试体系，确保复杂水下环境下的稳定运行：单光子探测器与激光设备工作环境：作为 “光子捕捉核心”，具备低暗计数特性，可精准接收水下微弱激光信号，六博光电针对水下环境进行定制化密封处理，避免水质干扰，确保信号捕捉稳定性

图7 两端设备工作场景

FPGA 控制激光发射模块：六博光电自主完成发射端与激光设备的通信适配，支持10k/100k/1M多档位发送速率，可根据水下距离动态调整输出参数，适配不同衰减场景，与FPGA网络连接完成设置3M/5M/10M控制激光发射速率，输入完本进行发送。

图8 与FPGA交互控制激光设备

TimeHarp 260 计数板：承担 “时间记录中枢” 角色，以皮秒级分辨率记录光子到达时间戳，生成.ptu原始数据文件，其超短死时间特性可避免高流量光子信号丢失，为后续解析提供高质量原始数据；

图9 TimeHarp 260处理PMA采集光子

光子数适配算法：通过自主程序实时计算每秒光子数，精准匹配不同发送速率的最低光子阈值（10k 速率≥3e03 photons/s、100k 速率≥4e04 photons/s、1M 速率≥3e05 photons/s），解决水下光衰减导致的“信号弱、解析难”问题，基于自主设计的“固定头+长度校验”逻辑有效过滤暗计数、环境光干扰，当光子数达最佳阈值时（100k速率下5e04photons/s），数据校验通过率超98%，能精准还原“1a2b3c4d5e6f7g8h9”单字节数据；

图10 各速率下光子数对应解析情况

凭借在水下通信领域的长期深耕，六博光电沉淀了扎实的实践经验。而此次单光子通信实验的突破，让其在水下光通信赛道的领先优势再度扩大，同时也为单光子通信及超远距离水下通信技术的迭代升级注入关键动力，推动相关领域发展迈入新阶段。

六博光电希望这次测试能成为技术积累的扎实基石：一方面，通过实际场景中的数据反馈，理清单光子水下通信在硬件协同、软件解析等环节的优化方向，为后续方案迭代提供具体依据；另一方面，也借此深化对水下复杂环境通信需求的理解，明确技术落地的现实路径。