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(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，到深海熱泉觀測(cè)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(kāi)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(qiáng)度遠(yuǎn)比地上更加嚴(yán)重，常規(guī)水下通信漸漸無(wú)法滿足人類需求，單光子通信是滿足這一需求的重點(diǎn)突破方向，兩者對(duì)比可見(jiàn)：

常規(guī)水下通信的核心痛點(diǎn)之一在于水下環(huán)境中，水分子、懸浮顆粒會(huì)持續(xù)吸收和散射光信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)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(hào)微弱而失效；而單光子水下通信擁有“超靈敏探測(cè)能力”，將信號(hào)捕捉下限拉至“單個(gè)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(jí)時(shí)間分辨”和“高效解析算法”，實(shí)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(qiáng)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(hào)易被截獲；聲吶信號(hào)在安防場(chǎng)景中易暴露位置。單光子水下通信通過(guò)光子時(shí)間戳解析和窄光束激光，可有效過(guò)濾環(huán)境干擾并實(shí)現(xiàn)隱蔽傳輸，在水下安防、軍事通信等保密場(chǎng)景具有常規(guī)技術(shù)無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。

PMA Hybrid：?jiǎn)喂庾拥摹爸苯硬蹲秸摺?，?shí)現(xiàn)超微弱光信號(hào)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(cè)效率、低噪聲、快時(shí)間響應(yīng)于一體，能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)超微弱光信號(hào)物理轉(zhuǎn)換，滿足單光子探測(cè)核心需求。內(nèi)置珀?duì)柼评淦鹘档桶涤?jì)數(shù)率，搭配鎳涂層鋁制外殼實(shí)現(xiàn)高等級(jí) 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(hào)時(shí)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(jì)避免偽峰干擾，輸出純凈信號(hào)，為數(shù)據(jù)分析提供可靠保障。

圖2 PMA Hybrid 系列型號(hào)探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線

TimeHarp 260 PICO：?jiǎn)喂庾訒r(shí)間信息的 “精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器”，實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)時(shí)間分辨

單光子設(shè)備解析需 “探測(cè)器 - 計(jì)數(shù)板 - 分析軟件” 的協(xié)同，作為單光子設(shè)備 “探測(cè)器 - 計(jì)數(shù)板 - 分析軟件” 協(xié)同鏈路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過(guò) 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(jì)數(shù)板圖

擁有 32768 個(gè)直方圖通道，能將時(shí)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(shí)間信息壓縮；32bit 計(jì)數(shù)深度（可支持 42.9 億計(jì)數(shù)），能滿足幾小時(shí)長(zhǎng)時(shí)測(cè)量需求，徹底解決傳統(tǒng) 16bit 設(shè)備（僅 6.5 萬(wàn)計(jì)數(shù)）易溢出、需頻繁中斷實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)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(shí)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(shí)間戳”（硬件語(yǔ)言），轉(zhuǎn)化為能理解的 “通信數(shù)據(jù)”，同時(shí)反向驗(yàn)證硬件系統(tǒng)的通信性能，是單光子水下測(cè)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(cè)試條件對(duì)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(shí)間戳（反映每個(gè)光子到達(dá)探測(cè)器的精確時(shí)間）與總光子數(shù)，這是解析的原始素材，直接對(duì)應(yīng) PMT 探測(cè)器的接收結(jié)果。

計(jì)算 “每秒光子數(shù)”：根據(jù)時(shí)間戳的時(shí)間跨度與總光子數(shù)，反推 PMT 探測(cè)器的實(shí)際接收速率，判斷硬件接收的信號(hào)強(qiáng)度是否滿足解析閾值；

選擇 “傳輸速率”：用戶根據(jù)硬件測(cè)試時(shí)的激光發(fā)送速率（10k/100k/1M），在程序中選擇對(duì)應(yīng)速率，程序會(huì)自動(dòng)匹配 TimeHarp 260 的計(jì)數(shù)周期（100k速率對(duì)應(yīng)10μs計(jì)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(cè)試報(bào)告中上位機(jī)控制的 10k 速率，對(duì)應(yīng)每幀發(fā)送間隔 100μs），TimeHarp 260 記錄的光子時(shí)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(guò) “時(shí)間窗口統(tǒng)計(jì)” 定位幀頭：在時(shí)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(jì)每個(gè)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(duì)應(yīng)測(cè)試報(bào)告中 “調(diào)整激光角度改變光子數(shù)” 后，程序能動(dòng)態(tài)識(shí)別幀頭的邏輯。

對(duì)幀頭以外的低光子數(shù)窗口（暗計(jì)數(shù)對(duì)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(duì)應(yīng)硬件中 PMT 的 “低暗計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)” 與 TimeHarp 260 的 “過(guò)載保護(hù)”，雙重保障原始數(shù)據(jù)的信噪比，程序則進(jìn)一步通過(guò)幀結(jié)構(gòu)篩選，確保解析對(duì)象為有效信號(hào)。

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(cè)試報(bào)告中“AA0055CCEEEEEEEEEE17# 發(fā)送數(shù)據(jù)” 的格式），每個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)特定時(shí)間長(zhǎng)度的光子信號(hào)（1個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng) 1 個(gè)計(jì)數(shù)周期的光子有無(wú)）。

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

數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)：程序?qū)Ρ冉馕鼋Y(jié)果與硬件發(fā)送的固定格式（校驗(yàn)頭“AA0055CC”是否存在、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否匹配），判斷解析數(shù)據(jù)是否完整 —— 對(duì)應(yīng)測(cè)試報(bào)告中 “數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過(guò)/未通過(guò)” 的結(jié)果（水下 4m 測(cè)試中，光子數(shù)達(dá)到最低數(shù)量時(shí)校驗(yàn)通過(guò)，光子數(shù)不足時(shí)校驗(yàn)失?。苯臃从秤布到y(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(huì)顯示出來(lái)，與接收端采集光子數(shù)一致，選擇與激光發(fā)送速率對(duì)應(yīng)的解析速率，點(diǎn)擊解析得到全部的16進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示在“實(shí)時(shí)解析信息”欄，經(jīng)過(guò)固定前綴的容錯(cuò)匹配找尋到真實(shí)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(huì)顯示解析出來(lái)的數(shù)據(jù)條數(shù)。

圖5 解析程序界面

測(cè)試過(guò)程：4米水下實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)景圖

此次測(cè)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(chǎng)景適配能力 —— 并非依賴單一硬件研發(fā)，而是通過(guò)對(duì)過(guò)往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)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(cè)試體系，確保復(fù)雜水下環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)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(jì)數(shù)特性，可精準(zhǔn)接收水下微弱激光信號(hào)，六博光電針對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行定制化密封處理，避免水質(zhì)干擾，確保信號(hào)捕捉穩(wěn)定性

圖7 兩端設(shè)備工作場(chǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)整輸出參數(shù)，適配不同衰減場(chǎng)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(jìn)行發(fā)送。

圖8 與FPGA交互控制激光設(shè)備

TimeHarp 260 計(jì)數(shù)板：承擔(dān) “時(shí)間記錄中樞” 角色，以皮秒級(jí)分辨率記錄光子到達(dá)時(shí)間戳，生成.ptu原始數(shù)據(jù)文件，其超短死時(shí)間特性可避免高流量光子信號(hào)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(guò)自主程序?qū)崟r(shí)計(jì)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(hào)弱、解析難”問(wèn)題，基于自主設(shè)計(jì)的“固定頭+長(zhǎng)度校驗(yàn)”邏輯有效過(guò)濾暗計(jì)數(shù)、環(huán)境光干擾，當(dāng)光子數(shù)達(dá)最佳閾值時(shí)（100k速率下5e04photons/s），數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過(guò)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(duì)應(yīng)解析情況

憑借在水下通信領(lǐng)域的長(zhǎng)期深耕，六博光電沉淀了扎實(shí)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而此次單光子通信實(shí)驗(yàn)的突破，讓其在水下光通信賽道的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)再度擴(kuò)大，同時(shí)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(jí)注入關(guān)鍵動(dòng)力，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展邁入新階段。

六博光電希望這次測(cè)試能成為技術(shù)積累的扎實(shí)基石：一方面，通過(guò)實(shí)際場(chǎng)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(duì)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(shí)路徑。