在海洋勘探、水下安防、深?？瓶嫉阮I(lǐng)域，水下通信是連接 “水下設(shè)備”和“地面系統(tǒng)” 的關(guān)鍵。從水下機器人的實時控制，到深海熱泉觀測的高清視頻回傳，到水下安防的隱蔽數(shù)據(jù)傳輸，這些都離不開穩(wěn)定、高效的通信，地上通信幾乎已經(jīng)支持人類的各種需求，但水下的干擾因素與強度遠(yuǎn)比地上更加嚴(yán)重，常規(guī)水下通信漸漸無法滿足人類需求，單光子通信是滿足這一需求的重點突破方向，兩者對比可見：

常規(guī)水下通信的核心痛點之一在于水下環(huán)境中，水分子、懸浮顆粒會持續(xù)吸收和散射光信號，導(dǎo)致信號強度隨距離呈指數(shù)衰減，常規(guī)光通信往往在10米內(nèi)就因信號微弱而失效；而單光子水下通信擁有“超靈敏探測能力”，將信號捕捉下限拉至“單個光子”，徹底突破弱光傳輸瓶頸。

常規(guī)水下通信受限于技術(shù)原理，速率普遍較低，難以滿足高清視頻回傳、海量數(shù)據(jù)傳輸需求；單光子水下通信借助 “皮秒級時間分辨”和“高效解析算法”，實現(xiàn)帶寬與速率的巨大突破。

常規(guī)水下通信在抗干擾與隱蔽性方面存在明顯短板：常規(guī)光通信依賴光強編碼，易受環(huán)境光干擾導(dǎo)致誤碼率飆升；射頻通信易受電磁干擾且信號易被截獲；聲吶信號在安防場景中易暴露位置。單光子水下通信通過光子時間戳解析和窄光束激光，可有效過濾環(huán)境干擾并實現(xiàn)隱蔽傳輸，在水下安防、軍事通信等保密場景具有常規(guī)技術(shù)無法替代的優(yōu)勢。

PMA Hybrid：單光子的“直接捕捉者”，實現(xiàn)超微弱光信號的物理轉(zhuǎn)換

圖1 PMA設(shè)備圖

基于 Hamamatsu R10467 光電倍增管，集高探測效率、低噪聲、快時間響應(yīng)于一體，能精準(zhǔn)實現(xiàn)超微弱光信號物理轉(zhuǎn)換，滿足單光子探測核心需求。內(nèi)置珀爾帖制冷器降低暗計數(shù)率，搭配鎳涂層鋁制外殼實現(xiàn)高等級 RF 屏蔽，大幅減少外界電磁干擾，保障單光子捕捉不受噪聲影響。藍(lán)光敏感型號時間響應(yīng)寬度（FWHM）低至 50ps，可捕捉分子熒光壽命細(xì)微差異；“可忽略的后脈沖” 設(shè)計避免偽峰干擾，輸出純凈信號，為數(shù)據(jù)分析提供可靠保障。

圖2 PMA Hybrid 系列型號探測器的光譜響應(yīng)曲線

TimeHarp 260 PICO：單光子時間信息的 “精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器”，實現(xiàn)皮秒級時間分辨

單光子設(shè)備解析需 “探測器 - 計數(shù)板 - 分析軟件” 的協(xié)同，作為單光子設(shè)備 “探測器 - 計數(shù)板 - 分析軟件” 協(xié)同鏈路的關(guān)鍵節(jié)點，通過 PCIe 接口與電腦穩(wěn)定連接，硬件接口和功能適配性優(yōu)，保障全鏈路數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)順暢；

圖3 TimeHarp 260計數(shù)板圖

擁有 32768 個直方圖通道，能將時間范圍精細(xì)劃分，為熒光衰減曲線、TRES 等分析提供高分辨率原始數(shù)據(jù)，杜絕因通道不足導(dǎo)致的時間信息壓縮；32bit 計數(shù)深度（可支持 42.9 億計數(shù)），能滿足幾小時長時測量需求，徹底解決傳統(tǒng) 16bit 設(shè)備（僅 6.5 萬計數(shù)）易溢出、需頻繁中斷實驗的數(shù)據(jù)丟失問題。

自主優(yōu)化解析程序：硬件系統(tǒng)的 “數(shù)據(jù)翻譯官”，自主實現(xiàn)并優(yōu)化與硬件設(shè)備相匹配的解析能力

圖4 解析邏輯流程圖

解析程序?qū)?TimeHarp 260 記錄的 “光子時間戳”（硬件語言），轉(zhuǎn)化為能理解的 “通信數(shù)據(jù)”，同時反向驗證硬件系統(tǒng)的通信性能，是單光子水下測試不可或缺的軟件核心。

程序首先完成 “硬件數(shù)據(jù)加載 + 測試條件對齊”，為后續(xù)解析奠定基礎(chǔ)：讀取 TimeHarp 260 生成的.ptu文件，提取其中的核心信息 ——光子事件時間戳（反映每個光子到達探測器的精確時間）與總光子數(shù)，這是解析的原始素材，直接對應(yīng) PMT 探測器的接收結(jié)果。

計算 “每秒光子數(shù)”：根據(jù)時間戳的時間跨度與總光子數(shù)，反推 PMT 探測器的實際接收速率，判斷硬件接收的信號強度是否滿足解析閾值；

選擇 “傳輸速率”：用戶根據(jù)硬件測試時的激光發(fā)送速率（10k/100k/1M），在程序中選擇對應(yīng)速率，程序會自動匹配 TimeHarp 260 的計數(shù)周期（100k速率對應(yīng)10μs計數(shù)周期），確保解析節(jié)奏與硬件發(fā)送節(jié)奏一致。

激光發(fā)射端按固定周期發(fā)送數(shù)據(jù)幀（測試報告中上位機控制的 10k 速率，對應(yīng)每幀發(fā)送間隔 100μs），TimeHarp 260 記錄的光子時間戳?xí)尸F(xiàn) “幀內(nèi)光子密集、幀間光子稀疏”的特征。

程序利用這一硬件特性，通過 “時間窗口統(tǒng)計” 定位幀頭：在時間軸上劃分固定窗口（窗口大小與硬件發(fā)送周期匹配），統(tǒng)計每個窗口內(nèi)的光子數(shù)，光子數(shù)驟增的窗口即為 “數(shù)據(jù)幀起始位置（幀頭）”，對應(yīng)測試報告中 “調(diào)整激光角度改變光子數(shù)” 后，程序能動態(tài)識別幀頭的邏輯。

對幀頭以外的低光子數(shù)窗口（暗計數(shù)對應(yīng)的單光子事件）直接剔除，僅保留幀頭后續(xù)的連續(xù)光子密集段 —— 這一步對應(yīng)硬件中 PMT 的 “低暗計數(shù)設(shè)計” 與 TimeHarp 260 的 “過載保護”，雙重保障原始數(shù)據(jù)的信噪比，程序則進一步通過幀結(jié)構(gòu)篩選，確保解析對象為有效信號。

按硬件協(xié)議解析數(shù)據(jù)：激光發(fā)射端（FPGA 控制）按固定格式發(fā)送數(shù)據(jù)（測試報告中“AA0055CCEEEEEEEEEE17# 發(fā)送數(shù)據(jù)” 的格式），每個數(shù)據(jù)位對應(yīng)特定時間長度的光子信號（1個數(shù)據(jù)位對應(yīng) 1 個計數(shù)周期的光子有無）。

程序根據(jù) TimeHarp 260 記錄的光子時間戳，判斷每個數(shù)據(jù)位的“有光 / 無光” 狀態(tài)（對應(yīng)二進制0/1），再將二進制序列拼接為字節(jié)數(shù)據(jù)，最終轉(zhuǎn)化為 16 進制或明文（將“1a2b3c”從16 進制還原為原始發(fā)送內(nèi)容）。

數(shù)據(jù)有效性校驗：程序?qū)Ρ冉馕鼋Y(jié)果與硬件發(fā)送的固定格式（校驗頭“AA0055CC”是否存在、數(shù)據(jù)長度是否匹配），判斷解析數(shù)據(jù)是否完整 —— 對應(yīng)測試報告中 “數(shù)據(jù)校驗通過/未通過” 的結(jié)果（水下 4m 測試中，光子數(shù)達到最低數(shù)量時校驗通過，光子數(shù)不足時校驗失敗），直接反映硬件系統(tǒng)（PMT+TimeHarp 260+激光發(fā)射端）的水下通信穩(wěn)定性。

選擇解析導(dǎo)入ptu的文件，解析ptu文件中的光子數(shù)會顯示出來，與接收端采集光子數(shù)一致，選擇與激光發(fā)送速率對應(yīng)的解析速率，點擊解析得到全部的16進制數(shù)據(jù)顯示在“實時解析信息”欄，經(jīng)過固定前綴的容錯匹配找尋到真實傳輸?shù)臄?shù)據(jù)顯示在“接收到的的數(shù)據(jù)”欄，解析完成后會顯示解析出來的數(shù)據(jù)條數(shù)。

圖5 解析程序界面

測試過程：4米水下實現(xiàn)高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸

圖6 試驗場景圖

此次測試展現(xiàn)了六博光電在單光子設(shè)備應(yīng)用中的技術(shù)整合與場景適配能力 —— 并非依賴單一硬件研發(fā)，而是通過對過往測試經(jīng)驗總結(jié)與硬件的一定理解，搭建 “硬件協(xié)同 + 軟件解析 的全鏈路測試體系，確保復(fù)雜水下環(huán)境下的穩(wěn)定運行：單光子探測器與激光設(shè)備工作環(huán)境：作為 “光子捕捉核心”，具備低暗計數(shù)特性，可精準(zhǔn)接收水下微弱激光信號，六博光電針對水下環(huán)境進行定制化密封處理，避免水質(zhì)干擾，確保信號捕捉穩(wěn)定性

圖7 兩端設(shè)備工作場景

FPGA 控制激光發(fā)射模塊：六博光電自主完成發(fā)射端與激光設(shè)備的通信適配，支持10k/100k/1M多檔位發(fā)送速率，可根據(jù)水下距離動態(tài)調(diào)整輸出參數(shù)，適配不同衰減場景，與FPGA網(wǎng)絡(luò)連接完成設(shè)置3M/5M/10M控制激光發(fā)射速率，輸入完本進行發(fā)送。

圖8 與FPGA交互控制激光設(shè)備

TimeHarp 260 計數(shù)板：承擔(dān) “時間記錄中樞” 角色，以皮秒級分辨率記錄光子到達時間戳，生成.ptu原始數(shù)據(jù)文件，其超短死時間特性可避免高流量光子信號丟失，為后續(xù)解析提供高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)；

圖9 TimeHarp 260處理PMA采集光子

光子數(shù)適配算法：通過自主程序?qū)崟r計算每秒光子數(shù)，精準(zhǔn)匹配不同發(fā)送速率的最低光子閾值（10k 速率≥3e03 photons/s、100k 速率≥4e04 photons/s、1M 速率≥3e05 photons/s），解決水下光衰減導(dǎo)致的“信號弱、解析難”問題，基于自主設(shè)計的“固定頭+長度校驗”邏輯有效過濾暗計數(shù)、環(huán)境光干擾，當(dāng)光子數(shù)達最佳閾值時（100k速率下5e04photons/s），數(shù)據(jù)校驗通過率超98%，能精準(zhǔn)還原“1a2b3c4d5e6f7g8h9”單字節(jié)數(shù)據(jù)；

圖10 各速率下光子數(shù)對應(yīng)解析情況

憑借在水下通信領(lǐng)域的長期深耕，六博光電沉淀了扎實的實踐經(jīng)驗。而此次單光子通信實驗的突破，讓其在水下光通信賽道的領(lǐng)先優(yōu)勢再度擴大，同時也為單光子通信及超遠(yuǎn)距離水下通信技術(shù)的迭代升級注入關(guān)鍵動力，推動相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展邁入新階段。

六博光電希望這次測試能成為技術(shù)積累的扎實基石：一方面，通過實際場景中的數(shù)據(jù)反饋，理清單光子水下通信在硬件協(xié)同、軟件解析等環(huán)節(jié)的優(yōu)化方向，為后續(xù)方案迭代提供具體依據(jù)；另一方面，也借此深化對水下復(fù)雜環(huán)境通信需求的理解，明確技術(shù)落地的現(xiàn)實路徑。